CN104912026A - 基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法，包括：建立宽顶堰瀑布模型；利用CFD(计算流体动力学)中flow 3d软件，计算不同流体高度的瀑布流速、流量和流态；根据不同流体高度的瀑布流态确定赋予模型上的最佳流体高度范围；根据最佳流体高度范围确定宽顶堰瀑布模型的高度。本发明通过三维数值仿真模拟，调节来水流量，避免枯水期形成劣质景观，保证在各个流量下，各瀑布段的景观效果均达到最佳，同时可以根据来水流量预测瀑布流态以及瀑布水流的跌落位置，通过瀑布景观水流反向控制计算条件，用以指导设计、优化体型，为施工提供巨大方便。

Description

基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法

技术领域

本发明涉及一种人工瀑布景观设计主动控制方法。特别是涉及一种用于景观水力学中不同流量下瀑布姿态、流态并包含连续-间断-水气混掺全过程的水气多相瀑布景观的基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法。

背景技术

生态水力和景观水力学是当前国际上研究的新兴热点学科，是水动力学与生态景观理论之间相互作用的一门新兴的交叉学科。从目前的研究现状来看，景观水力学的研究对象一般是复杂现实环境下大尺度的水利景观，其水力特性的计算要求不同于传统泄洪、过流等水力学，一方面缺乏相应的规程规范和标准参考，另一方面由于景观工程范围大、形式多样、边界条件复杂多变，进行二维简化计算往往不具有适用性和科学性，无法把握大尺度下景观水力特性。

理论分析、模型试验和数值模拟是研究流体力学(水力学)的三种主要手段，这三种研究手段和方法在不同时期和阶段相互配合、互为补充，为流体力学学科的发展和各类工程实际问题的最终解决提供了保障。针对大尺度的景观水利工程来说，由于景观工程范围大、形式多样、边界条件复杂多变，一方面，理论方法的研究还很不充分，例如，目前我国现有的设计手册资料中对瀑布景观的设计仅仅限于不同确定形式的堰型下的水力学简化公式，而对于不同流量条件下瀑布的姿态、瀑身的破碎点、堰面光滑度及空气等因素对瀑布观赏性影响的分析则相对甚少，因此对于调控景观水流水气多相形态的控制指标的提出仍然是一个关键问题；另一方面，采用一定比尺的物理模型试验方法进行试验研究难度极大、费用极高且往往不具有可行性。即便可以采用小比尺的物理模型，由于其存在边界条件和水力特征参数率定方面的困难，导致其可操作性很难保证。

从数值模拟的角度考虑，景观水力学仍属于流体力学范畴，其基本力学规律必然遵循牛顿经典力学的理论，因此质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等流体运动的基本运动规律仍然适用。基于此，计算流体动力学的数值模拟技术就存在其在景观水力学仿真中应用的根本前提。通过求解描述流体运动的连续方程、运动方程和能量方程等微分方程，得到计算区域内的所有物理量的时、空分布规律，并可以通过高性能计算机的图像动态显示流动场景，对水力要素—三跌坎、特殊性、水流不连续特点的分析，达到掌握水力学运动特性以及优化大尺度景观建筑物体型的目的。

基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法研究的核心就在于如何控制上游的来水量来实现瀑布的自然效果、如何控制水舌跌落位置、如何保证丰水期和枯水期的均匀出水以及包含连续-间断-水气混掺全过程的水气多相瀑布景观设计主动控制技术等问题。目前，已有部分学者定性提出或研究景观瀑布三维仿真数值模拟方法。如宋永嘉,李双江,巴超,等.基于FLOW-3D平台的景观瀑布水力模拟试验研究.中国农村水利水电,2013年第七期，定性提出了镜面水舌长度—单宽流量、堰顶水头—单宽流量的关系曲线，找出了水舌姿态与流量等水力要素的相关性并确定水力设计的相关系数；王靖花,毛根海,陈少庆,贺治国等.景观瀑布的水利设计实验研究.建筑给排水[J],2001年第五期，通过景观瀑布水力设计的研究，找出了水舌形态和水流等水力要素之间的相关关系，并确定水力设计的相关参数，提出了宽顶堰所形成光滑段水舌长度与单宽流量之间的关系曲线，并提出了宽顶堰的起抛流量；王二平,李书阁,等.锡崖沟瀑布景观工程水力模型试验研究.郑州:华北水利水电学报,2009年第30卷第6期，通过模型放水试验表明：流量变化对瀑布水流流态影响很大，利用满足瀑布流的重力和紊动阻力相似的原则进行了其正态模型设计。

可见，不同研究者所研究的内容虽然很近似，但都有较大差别，对于不同流量条件下瀑布的姿态、镜面水舌长度、高速水流在什么样的条件下发生破碎、堰面光洁度对水舌的影响等各种对观赏性产生重大影响的因素的定性或定量分析则基本上是空白,因而使设计人员在对景观瀑布进行水力设计时往往难以确定怎样的流量、堰上水头等参数才能满足景观创意的要求。已有文献对三维仿真数值模拟方法仅仅在定性上做了简单的描述，其使用有较大的局限性。本发明专利特着眼于基于VOF技术和RNG k-ε紊流模型，建立了景观瀑布的CFD数值模型，经过与经验公式的对比，验证了该方法具有较好的准确性与技术可行性，可以直观地表达出直跌坎瀑布镜面水舌、条带状水流及水滴状水流等三种瀑布形态，同时也可形象地展示出三跌坎的水舌跌落位置，提出了调控景观水流水气多相形态的控制指标，通过瀑布景观水流反向控制计算条件，用以指导设计、优化体型，为三跌坎结构设计提供参考。

传统的通过试验分析景观瀑布的水力学特性进行设计，为了预览景观瀑布设计方案的泄流效果，往往要对瀑布进行动态仿真。瀑布的仿真常采用基于粒子的方法，通过改变粒子群的位置、速度、加速度等参数来实现逼真的瀑布效果。但其理论基础不是水力学，所以不能得到准确的水力学数据，如流速、水流厚度、水量等，也就无法预测枯水期的泄流状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过三维数值仿真模拟，调节来水流量，避免枯水期形成劣质景观，保证在各个流量下，各瀑布段的景观效果均达到最佳的基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法，包括如下步骤：

1)建立宽顶堰瀑布模型；

2)利用CFD(计算流体动力学)中flow 3d软件，计算不同流体高度的瀑布流速、流量和流态；

3)根据不同流体高度的瀑布流态确定赋予模型上的最佳流体高度范围；

4)根据最佳流体高度范围确定宽顶堰瀑布模型的高度。

步骤1)所述的宽顶堰瀑布模型中，水流落差P＝0.5m～20m，岩石长L₁0.3m～5m，下游范围长L₂＝1m～20m，瀑布宽0.5m～10m。

步骤2)所述的计算瀑布流速、流量和流态包括：

(1)导入步骤1)所建立的宽顶堰瀑布模型；

(2)设定赋予模型上的流体高度H＝0.01m～1.5m；

(3)对模型上所赋予的流体进行网格剖分；

(4)对流体设置边界条件；

(5)设定输出变量，包括流速、流量和压力；

(6)flow 3d软件自动进行计算；

(7)查询计算结果。

第(4)步所述的流体边界条件包括：上游截断边界采用静水压力边界，F＝1；下游出口采用静水压力边界，F＝0；上边界采用气体压力边界，总压力为大气压力；采用无滑移壁面条件处理宽顶堰瀑布模型表面，近壁区用标准壁面函数处理。

步骤3)所述的最佳流体高度的确定是：当瀑布景观水流流态清晰地出现镜面水舌、条带状水流、水滴状水流三种流态时的高度范围为最佳流体高度范围。

步骤4)所述的根据最佳流体高度范围确定宽顶堰瀑布模型的高度包括：

(1)对于枯水季，上游来水量不能满足最佳流体高度时，通过降低宽顶堰瀑布模型底板高程来增大上游水位以达到最佳流体高度范围；

(2)对于丰水季，上游来水量超过最佳流体高度时，通过增加宽顶堰瀑布模型底板高程来降低上游水位以达到最佳流体高度范围。

本发明的基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法，通过三维数值仿真模拟，调节来水流量，避免枯水期形成劣质景观，保证在各个流量下，各瀑布段的景观效果均达到最佳，同时可以根据来水流量预测瀑布流态以及瀑布水流的跌落位置，通过瀑布景观水流反向控制计算条件，用以指导设计、优化体型，为施工提供巨大方便。本专利拟提出的方法在景观水力学问题不同流量下瀑布姿态、流态并包含连续-间断-水气混掺全过程的水气多相瀑布景观设计主动控制技术等一些特征问题上的研究方面具有较高的参考价值和指导意义。

附图说明

图1是宽顶堰瀑布模型示意图；

图2是出口流量与进口流量时程曲线对比；

图3是直跌坎瀑布模型示意图；

图4a是来水流量6.3m³/s下直跌坎的水流流态效果图；

图4b是来水流量15m³/s下直跌坎的水流流态效果图；

图4c是来水流量23m³/s下直跌坎的水流流态效果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法做出详细说明。

本发明的基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法，包括如下步骤：

1)建立如图1所示的宽顶堰瀑布模型；

所述的宽顶堰瀑布模型中，水流落差P＝0.5m～20m，岩石长L₁＝0.3m～5m，下游范围长L₂＝1m～20m，瀑布宽0.5m～10mm。

图1是宽顶堰瀑布模型示意图。水流落差P＝0.62m，堰上水头H＝0.24m，岩石长L₁＝0.7m，下游范围长L₂＝2m，瀑布宽1m。图中的Yc指上游临界水深、Vc指上游临界流速、Y_P指瀑布脚下水深、Lp指下游稳定水深至瀑布脚下的距离。

2)利用CFD(计算流体动力学)中flow 3d软件，计算不同流体高度的瀑布流速、流量和流态；所述的计算瀑布流速、流量和流态包括：

(1)导入步骤1)所建立的宽顶堰瀑布模型；

(2)设定赋予模型上的流体高度H＝0.01m～1.5m；

(3)对模型上所赋予的流体进行网格剖分；

(4)对流体设置边界条件；所述的流体边界条件包括：上游截断边界采用静水压力边界，F＝1；根据上游水位确定入口边界的压力分布；下游出口采用静水压力边界，F＝0；根据下游水位确定压力分布；上边界采用气体压力边界，总压力为大气压力；采用无滑移壁面条件处理宽顶堰瀑布模型表面，近壁区用标准壁面函数处理。

(5)设定输出变量，包括流速、流量和压力；

(6)flow 3d软件自动进行计算。其中计算用到了如下公式：

连续方程：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}=\frac{{\∂\mathrm{\ρu}}_i}{{\∂x}_i}=0---\left(1\right)$

动量方程：

$\frac{{\∂\mathrm{\ρu}}_i}{\∂t}+\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left({\mathrm{\ρu}}_i{u}_j\right)=-\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{{\∂x}_i}+\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left[(\mathrm{\μ}+{\mathrm{\μ}}_t)(\frac{{\∂u}_i}{{\∂x}_j}+\frac{{\∂u}_j}{{\∂x}_j})\right]---\left(2\right)$

其中，t为时间(国际制单位为s)，ρ为密度(国际制单位为kg/m³)，ui为速度分量(i＝1,2,3)(国际制单位为m/s)，xi为坐标分量(i＝1,2,3)(国际制单位为m)，p为压强(国际制单位为Pa)。

采用RNG k-ε紊流模型封闭方程组。

k-方程：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρk}\right)}{\∂t}+\frac{\∂}{{\∂x}_i}\left({\mathrm{\ρu}}_{i}k\right)=\frac{\∂}{{\∂x}_i}\left[(\mathrm{\μ}+\frac{u_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂k}{{\∂x}_i}\right]+G_k-\mathrm{\ρ\ϵ}---\left(3\right)$

ε-方程：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ\ϵ}\right)}{\∂t}+\frac{\∂}{{\∂x}_i}\left({\mathrm{\ρu}}_i\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{\∂}{{\∂x}_i}\left[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂x}_i}\right]+C_{1\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ρ}\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}{G}_k-C_{2\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ρ}\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{k}---\left(4\right)$

$G_k={\mathrm{\μ}}_t(\frac{{\∂u}_j}{{\∂x}_i}+\frac{{\∂u}_i}{{\∂x}_j})\frac{{\∂u}_j}{{\∂x}_i}---\left(5\right)$

其中，k为湍动能(国际制单位为m²/s²)，ε为湍动能耗散率(国际制单位为m²/s³)，G_k为湍动能生成项，μ为分子粘度系数，μ_t为紊流粘度系数，μ_t可由以下公式得到。

${\mathrm{\μ}}_t=C_{\mathrm{\μ}}\frac{k^2}{\mathrm{\ϵ}}---\left(6\right);$

(7)查询计算结果。

3)根据不同流体高度的瀑布流态确定赋予模型上的最佳流体高度范围；

所述的最佳流体高度的确定是：当瀑布景观水流流态清晰地出现镜面水舌、条带状水流、水滴状水流三种流态时的高度范围为最佳流体高度范围。

4)根据最佳流体高度范围确定宽顶堰瀑布模型的高度。

所述的根据最佳流体高度范围确定宽顶堰瀑布模型的高度包括：

(1)对于枯水季，上游来水量不能满足最佳流体高度时，通过降低宽顶堰瀑布模型底板高程(如开挖碎石)来增大上游水位以达到最佳流体高度范围；

(2)对于丰水季，上游来水量超过最佳流体高度时，通过增加宽顶堰瀑布模型底板高程(如填充碎石)来降低上游水位以达到最佳流体高度范围。

最后，根据以上所求得的流量范围可以指导设计优化体型，并通过不同的流量预测瀑布流态以及瀑布水流的跌落位置。

为验证本发明的基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法的可行性，探究其是否能适用于不同流量下的情形下，并建立了景观瀑布的CFD数值模型，基于CFD技术计算该模型泄流15s时的状态，出口流量与进口流量的过程线如图2，由图2可以看出，在5s之后出口流量在Q＝0.196m³/s附近上下波动，时均值约等于进口流量，认为此时流场已达到稳定状态。

由稳定状态下的数值模拟结果可知，瀑布脚下水深Y_p＝0.267m，下游水垫厚度Y₁＝0.06m，下游稳定水深至瀑布脚下的距离L_p＝0.8m，上游临界水深Y_c＝0.1574m，上游临界流速V_c＝1.245m/s，下游稳定水流流速V₁＝3.27m/s，则进口能量E₁＝0.856m，出口能量E₂＝0.6m，能量损失 $\frac{E_1-E_2}{E_1}=0.30.$

Rand在1955年提出了计算L_p、Y_p及Y₁的公式，分别如下：

$\frac{L_P}{P}=4.30{\left(\frac{Y_c}{P}\right)}^{0.81}---\left(7\right)$

$\frac{Y_P}{P}={\left(\frac{Y_c}{P}\right)}^{0.66}---\left(8\right)$

$\frac{Y_1}{P}=0.54{\left(\frac{Y_c}{P}\right)}^{1.275}---\left(9\right)$

以上公式适用于0.045<Y_c/P<1。

Rajaratnam N.和Chamani M R.在1995年提出能量损失的计算公式：

$\frac{E_1-E_2}{E_1}=0.896{\left(\frac{Y_c}{P}\right)}^{0.766}---\left(10\right)$

根据式(7)-式(10)计算所得L_p＝0.88m，Y_p＝0.25m，Y₁＝0.058m，经验公式计算结果与数值模拟结果对比如表1，可以看出两种计算方法误差在10％以内，说明CFD数值模拟方法在计算瀑布泄流方面具有较高的准确性。

表1数值模拟结果与经验公式计算结果比较

下面以昆明“两江”瀑布公园南段直跌坎景观瀑布为例，如图3所示。

图3为直跌坎瀑布模型示意图。图中A为上池水位，B为上池底板高程，C为下游水位，D为下池高程，E为下池底部高程。通过flow 3d软件的试算，得到流态效果较好的瀑布，得出相应的上游流量，对于枯水季或者丰水季，上游来水量较小不能满足瀑布要求或者是上游来水量过大使瀑布失去细水长流的效果，当流量较小时可以通过降低底板高程(开挖碎石)增大上游水位以达到来水量的目的，当流量较大的时候通过在上池顶端增加碎石提高上池高程以减小上游水位来降低来水量的目的，按此方法通过改变上池底板高程来调节瀑布流量。

当上游流量分别为6.3m³/s，15m³/s，23m³/s时，瀑布流态如图4a、图4b、图4c所示：

根据计算结果，当流量大于4.3L/(m·s)时，堰流形成自由抛射，景观瀑布根据其倾泻水股形态发展变化，可以清晰地划分为三段，分别为镜面水舌、条带状水流、水滴状水流。镜面水舌为抛射水股第一段。在镜面水舌下缘，抛射水股开始明显掺气，即呈“白色水”水股，镜面水舌开始破坏，撕裂成条带状。这是抛射水股第二段。最后水股发展成第三段，即水股完全破坏为水滴溅沫状下落。从而瀑布整个流态具有水气混掺特性，以上就是根据这三种流态形式判断瀑布效果，再由瀑布流态对上游来水量进行控制。

经多次试算，当来水流量在4.3L/(m·s)～46.9L/(m·s)之间范围时，瀑布流态较好，当流量继续增大时，虽仍然能形成瀑布，但是无助于增加瀑布景观效果。因此利用上游来水流量进行预测瀑布流态以及瀑布水流的跌落位置，并通过瀑布景观水流反向控制计算条件(进行调节来水流量或者是上游水位)，用以指导设计、优化体型，为施工提供巨大方便。

Claims (6)

1.一种基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)建立宽顶堰瀑布模型；

2)利用CFD中flow 3d软件，计算不同流体高度的瀑布流速、流量和流态；

3)根据不同流体高度的瀑布流态确定赋予模型上的最佳流体高度范围；

4)根据最佳流体高度范围确定宽顶堰瀑布模型的高度。

2.根据权利要求1所述的基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法，其特征在于，步骤1)所述的宽顶堰瀑布模型中，水流落差P＝0.5m～20m，岩石长L₁0.3m～5m，下游范围长L₂＝1m～20m，瀑布宽0.5m～10m。

3.根据权利要求1所述的基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法，其特征在于，步骤2)所述的计算瀑布流速、流量和流态包括：

(1)导入步骤1)所建立的宽顶堰瀑布模型；

(2)设定赋予模型上的流体高度H＝0.01m～1.5m；

(3)对模型上所赋予的流体进行网格剖分；

(4)对流体设置边界条件；

(5)设定输出变量，包括流速、流量和压力；

(6)flow 3d软件自动进行计算；

(7)查询计算结果。

4.根据权利要求3所述的基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法，其特征在于，第(4)步所述的流体边界条件包括：上游截断边界采用静水压力边界，F＝1；下游出口采用静水压力边界，F＝0；上边界采用气体压力边界，总压力为大气压力；采用无滑移壁面条件处理宽顶堰瀑布模型表面，近壁区用标准壁面函数处理。

5.根据权利要求1所述的基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法，其特征在于，步骤3)所述的最佳流体高度的确定是：当瀑布景观水流流态清晰地出现镜面水舌、条带状水流、水滴状水流三种流态时的高度范围为最佳流体高度范围。

6.根据权利要求1所述的基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法，其特征在于，步骤4)所述的根据最佳流体高度范围确定宽顶堰瀑布模型的高度包括：

(1)对于枯水季，上游来水量不能满足最佳流体高度时，通过降低宽顶堰瀑布模型底板高程来增大上游水位以达到最佳流体高度范围；

(2)对于丰水季，上游来水量超过最佳流体高度时，通过增加宽顶堰瀑布模型底板高程来降低上游水位以达到最佳流体高度范围。