CN110032818B - 一种无边界游泳池水跌流量计算方法 - Google Patents

一种无边界游泳池水跌流量计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无边界游泳池水跌流量计算方法，包括以下步骤：A.利用gambit软件建立无边界游泳池模型；B.将建立的无边界游泳池模型导入Fluent软件中，选择k‑ε模型的RNG模式，调节欠松弛因子和初始条件，初始化后开始迭代计算；C.等迭代计算稳定收敛后，提取中间断面所有节点的海量有效数据，导入图形处理软件Tecplot中，调节水体积分数至0.95，同时调节显示云图指标，得到的最小单宽流量即为模型水膜不贴壁且不破时的最小流量；D.将有效节点的高度与流速值拟合成曲线，从曲线中查得固定宽度的无边界游泳池运行时，水膜不贴壁且不破的最小流量。本发明利用数值模拟技术确定了泳池宽度与水舌不贴壁且不破时水跌流量的关系。

Description

一种无边界游泳池水跌流量计算方法
技术领域
本发明涉及无边界游泳池技术领域，尤其是涉及一种无边界游泳池水跌流量计算方法。
背景技术
无边界游泳池通过对游泳池边缘的特殊设计，使人感觉其没有边缘与池壁，以达到空间无限的视觉效果。其工作原理是在有限空间内使静止水体定向层流运动，而游泳者逆水流流动方向游动。
无边界游泳池内水体经过边壁顶缘跌落属于堰流和水跌现象。堰流系堰上缓流经过堰顶溢流的急变流现象；堰顶溢流的水流情况，随堰顶厚度δ与堰上水头H的比值不同而变化，在水力学学科内依据δ/H比值，将堰分为薄壁堰(0.00≤δ/H＜0.67)、实用堰(0.67≤δ/H＜2.50)与宽顶堰(2.50≤δ/H＜10.00)三种；无边界游泳池边壁厚度与顶上水头的比值通常在2.50～10.00的范围内，因此无边界游泳池水流符合宽顶堰堰流特性。水跌系水流从缓流过渡到急流，水面急剧降落的急变流现象；无边界游泳池内水体流至边壁内边缘时为缓流状态，当水体在边壁顶面上流至外边缘的过程中水深变小，直至水跌跌坎断面时水深降至为临界水深，水流状态变为临界流，经跌坎断面后水体重力分力与空气阻力不相平衡，造成水流加速，水流状态变为急流。自跌坎断面下落的水体称为水舌；水舌落地点与游泳池边壁外边缘的垂直距离为水舌长度。
近年来水力学科研工作者针对堰流、水跌及水舌展开了研究：1989年天津大学刘宣烈等[1]对三元空中水舌掺气扩散特性进行了分析研究，试验中采用近景立体摄影和电阻式掺气仪两种测量方法，对水舌断面含水浓度、沿程变化以及参数间的关系得到关系式，同时获得三元水舌纵、横向扩散规律，给出判定水舌维数的准则，为进一步研究掺气水舌的运动轨迹分析提供了参考价值；1999年长沙有色冶金设计院乐美承[2]研究了跌水水景设计的相关问题，即跌水流量计算、校核水舌长度，阐述了一般宽顶堰自由出流的流量计算公式、跌落水舌长度计算公式；2003年四川大学刁明军等[3]采用VOF法数值模拟了挑流消能水气二相流，研究了射流的空中轨迹线和水垫塘的自由水面，得到了计算域的流线、压力、流场、紊动能及紊动耗散率分布，并用物理模型对模拟结果进行了验证，数值模拟结果与物理模型实验数据吻合良好，说明利用湍流二相流模型及VOF法对空中射流水舌及水垫塘流态模拟是可行的；2017年贵勘院袁强等[4]研究了挑流消能二相流数值模拟在老坝治理中的应用，通过VOF模型与PISO算法对挑流消能从上游库区到下游水垫塘进行了水气二相流二维非恒定数值模拟，获得下泄水流的冲击情况。
[01]刘宣烈，刘钧.三元空中水舌掺气扩散的试验研究[J].水利学报，1989，20(11)：10-17.
[02]乐承美.跌水水景的设计[J].中国给水排水，1999，15(06)：34-35.
[03]刁明军，杨永全，王玉蓉，刘善均.挑流消能水气二相流数值模拟[J].水利学报，2003，34(09)：77-82.
[04]袁强，王新，骆少泽.挑流消能二相流数值模拟在老坝治理中的应用[J].四川水利，2017，39(05)：106-108.
上述相关堰流、水跌及水舌的研究成果为无边界游泳池水跌流量研究提供了理论基础。但是目前还缺少对泳池宽度与水舌不贴壁且不破时水跌流量关系的计算研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种无边界游泳池水跌流量计算方法，利用数值模拟技术确定泳池宽度与水舌不贴壁且不破时水跌流量的关系。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种无边界游泳池水跌流量计算方法，包括以下步骤：
A.利用gambit软件建立无边界游泳池模型，泳池宽度为20.0～80.0m、水流跌落高度为0.6m，规则区域剖分结构性网格，不规则区域剖分非结构性网格，网格偏斜率小于0.8，设置边界条件，导出模型；
B.将建立的无边界游泳池模型导入Ansys Fluent软件中，选择k-ε模型的RNG模式，调节欠松弛因子和初始条件，初始化后开始迭代计算，时刻观察迭代曲线，待计算稳定后，判断计算收敛程度；
C.等迭代计算稳定收敛后，提取中间断面所有节点的海量有效数据，导入图形处理软件Tecplot中，调节水体积分数至0.95，同时调节显示云图指标，观察水体积分布云图：
(1)若水膜贴壁或破裂，则增加单宽流量，重复步骤B和C，直至水膜达到不贴壁且不破的状态；
(2)若水膜不贴壁且不破，则减小单宽流量，重复步骤B和C，直至水膜达到水膜贴壁或破裂的状态；
(3)得到的最小单宽流量即为模型水膜不贴壁且不破时的最小流量；
D.将有效节点的高度与流速值拟合成曲线，从曲线中查得固定宽度的无边界游泳池运行时，水膜不贴壁且不破的最小流量。
进一步的，所述步骤B中，模型控制方程如下：
连续性方程：
Figure BDA0002033277010000041
动量方程：
Figure BDA0002033277010000042
k方程：
Figure BDA0002033277010000043
ε方程：
Figure BDA0002033277010000044
其中，ρ为体积分数平均密度，μ为分子粘性系数，ui为流速分量，P为修正压力，μt为紊动粘性系数，Gk为平均速度梯度引起的紊动能产生项；μt、Gk、C2ε *的具体表达式如下：
Figure BDA0002033277010000045
Figure BDA0002033277010000046
Figure BDA0002033277010000047
其中，η＝Sk/ε，S＝(2SijSij)0.5。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明鉴于物理模型试验对场地要求局限，同时根据数值模拟技术的科学合理性，利用数值模拟技术确定泳池宽度与水舌不贴壁且不破时水跌流量的关系，为无边界游泳池宽度为20～80m范围、跌落高度为0.6m、水舌不贴壁且不破时设计最小循环流量提供技术参考。
附图说明
图1是宽顶堰中心断面水体积分数云图；
图2是单宽流量为0.00150mm3/s的水体积分数云图；
图3是单宽流量为0.00155mm3/s的水体积分数云图；
图4是单宽流量为0.00156mm3/s的水体积分数云图；
图5是单宽流量为0.00157mm3/s的水体积分数云图；
图6是单宽流量为0.00158mm3/s的水体积分数云图；
图7是单宽流量为0.00159mm3/s的水体积分数云图；
图8是单宽流量为0.00160mm3/s的水体积分数云图；
图9是单宽流量为0.00164mm3/s的水体积分数云图；
图10是单宽流量为0.00170mm3/s的水体积分数云图；
图11是单宽流量为0.00200mm3/s的水体积分数云图；
图12是高度与流速拟合曲线；
图13是无边界游泳池宽度为20m时跌坎水深与流速的关系曲线；
图14是无边界游泳池宽度为30m时跌坎水深与流速的关系曲线；
图15是无边界游泳池宽度为40m时跌坎水深与流速的关系曲线；
图16是无边界游泳池宽度为50m时跌坎水深与流速的关系曲线；
图17是无边界游泳池宽度为60m时跌坎水深与流速的关系曲线；
图18是无边界游泳池宽度为70m时跌坎水深与流速的关系曲线；
图19是无边界游泳池宽度为80m时跌坎水深与流速的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种无边界游泳池水跌流量计算方法，包括以下步骤：
A.利用gambit软件建立无边界游泳池模型，泳池宽度为20.0～80.0m、水流跌落高度为0.6m，规则区域剖分结构性网格，不规则区域剖分非结构性网格，网格偏斜率小于0.8，设置边界条件，导出模型；
B.将建立的无边界游泳池模型导入Ansys Fluent软件中，选择k-ε模型的RNG模式，调节欠松弛因子和初始条件，初始化后开始迭代计算，时刻观察迭代曲线，待计算稳定后，判断计算收敛程度；
C.等迭代计算稳定收敛后，提取中间断面所有节点的海量有效数据，导入图形处理软件Tecplot中，调节水体积分数至0.95，同时调节显示云图指标，观察水体积分布云图：
(1)若水膜贴壁或破裂，则增加单宽流量，重复步骤B和C，直至水膜达到不贴壁且不破的状态；
(2)若水膜不贴壁且不破，则减小单宽流量，重复步骤B和C，直至水膜达到水膜贴壁或破裂的状态；
(3)得到的最小单宽流量即为模型水膜不贴壁且不破时的最小流量；
D.将有效节点的高度与流速值拟合成曲线，从曲线中查得固定宽度的无边界游泳池运行时，水膜不贴壁且不破的最小流量。
1、数值模拟技术
(1-1)数值模拟技术基本理论
数值模拟是将时间域或空间域上物理量的场(如速度场和压力场)，用有限离散点的变量值集合代替，通过一定原则和方式创建离散点的场变量之间的代数方程组，最终求解代数方程组获得场变量的近似值。本发明所使用的数值模拟计算软件是Fluent，其是目前应用最为广泛且精度达到工程要求的计算软件，可以计算任意复杂外形的二维/三维流、可压/不可压流、定常/非定常流、无黏性/层/湍流、牛顿/非牛顿流、对流传热、热传导与对流传热的耦合传热计算、热辐射计算、惯性/非惯性流、多层次移动参考系问题、源项体积任意变化的计算、颗粒/水滴/气泡等弥散项的轨迹计算、多孔介质流动、风扇与热换器的性能、多相流、自由表面流等。而无边界游泳池跌流属于多相流、自由表面流、缓变急流的耦合，Fluent在计算本工程水流流动具有优势，且计算结果能够满足工程应用要求。
本发明上述步骤B中，Fluent数值模拟迭代计算选择k-ε模型的RNG模式，模型控制方程如下：
连续性方程：
Figure BDA0002033277010000071
动量方程：
Figure BDA0002033277010000072
k方程：
Figure BDA0002033277010000073
ε方程：
Figure BDA0002033277010000074
其中，ρ为体积分数平均密度，μ为分子粘性系数，ui为流速分量，P为修正压力，μt为紊动粘性系数，Gk为平均速度梯度引起的紊动能产生项。μt、Gk、C2ε *的具体表达式如下：
Figure BDA0002033277010000081
Figure BDA0002033277010000082
Figure BDA0002033277010000083
其中，η＝Sk/ε，S＝(2SijSij)0.5。上式参数取值见下表：
参数 Cμ C1ε C2ε σk σε η0 β
数值 0.0845 1.42 1.68 0.72 0.72 4.38 0.012
(1-2)设计计算工况与结果
为了验证数值模拟计算结果的科学合理性，设计了计算工况：无边界游泳池宽度为0.2m、流量为0.002m3/s。(1)无边界游泳池模型进行精密网格划分，且设定初始条件和边界条件；(2)选择气固多项流模型与紊流计算模型进行计算，经过数以万计的迭代步骤后，计算结果趋于收敛；(3)提取无边界游泳池数学模型中间断面内各节点的水体积分数数值，并导入图形处理软件Tecplot中；(4)得出宽顶堰水跌现象水体积分数云图，如图1所示。
(1-3)数值模拟技术的科学性
图1中，针对计算工况时水跌现象水体积分数云图，筛选水舌内侧不同位置质点距无边界游泳池边墙外缘的水平距离，同时与试验结果对比，如下表所示为具有代表性的10个质点的情况。
Figure BDA0002033277010000091
由上表可见：针对水舌内侧不同位置质点距离无边界游泳池外缘的水平距离，计算结果与试验数据之间的误差均小于9％，相对比较吻合。通过数据对比分析得出数值模拟计算所采用的数学模型及欠松弛因子具有科学合理性，数值模拟结果具有较高的可信度，因此，本发明采用上述计算模型及欠松弛因子进行无边界游泳池水跌现象的数值模拟计算。
2、跌落水舌特性研究
(2-1)计算工况
为了研究无边界游泳池跌流水舌不贴壁且不破的水流特性，建立数学模型：无边界游泳池边墙宽度为0.2m、高度为0.6m；单宽流量分别设置为0.00150、0.00155、0.00156、0.00157、0.00158、0.00159、0.00160、0.00164、0.00170、0.00200m3/s，根据堰流公式计算出的相应出流流速为0.245、0.248、0.248、0.249、0.249、0.250、0.250、0.252、0.255、0.270m/s。将数学模型导入Fluent软件中，选择合理的多相流模型、紊流模型以及欠松弛因子，进行迭代计算。
(2-2)计算结果分析
数值模拟迭代计算稳定收敛后，提取中间断面所有节点的海量有效数据，导入图形处理软件Tecplot中，得到单宽流量为0.00150、0.00155、0.00156、0.00157、0.00158、0.00159、0.00160、0.00164、0.00170、0.00200m3/s的水体分数云图，分别见图2-图11。
由图2-图11可见：(1)当单宽流量为0.00150m3/s时，水流通过无边界游泳池边墙后水舌瞬间分散，水体变成细小水滴；(2)当单宽流量为0.00155m3/s时，跌流过程中水舌的跌落高度并未超过0.6m；(3)当单宽流量为0.00156～0.00160m3/s，跌水水舌的跌落高度达到0.6m；流量越大，水舌增厚。因此判定无边界游泳池跌流水舌不贴壁且不破时的最小单宽流量为0.00156m3/s。
(2-3)跌落水舌不贴壁且不破时跌坎水深与水流流速
数值模拟迭代计算稳定收敛后，在进口断面作竖直中心线，提取中心线上所有节点的流速值和水体积分数值，过滤水体积分数为0的节点及相关水力信息，并将有效数值导入数据处理软件中，获得流量为0.00156m3/s时跌坎水深为0.008m，并将有效节点的高度与流速值拟合成曲线，见图12。
由图12可见：当无边界游泳池跌流水舌不贴壁且不破的最小流量为0.00156m3/s时，跌坎水深约为0.008m，流速值随高度增加呈现增加的趋势，流速值处于0.31～0.42m/s范围内。根据堰流公式及相关水力学理论可知，若跌坎水深大于0.008m且流速大于0.31～0.42m/s时，不贴壁且不破的跌落水舌跌落高度超过0.6m。
综述以上分析得出，无边界游泳池跌流在水力学专业上属于宽顶堰溢流现象，若无边界游泳池宽度为20、30、40、50、60、70、80m时，为了保证跌流水舌在跌落高度为0.6m的条件下不贴壁且不破，只需要跌坎断面水深超过0.008m且流速大于0.31～0.42m/s即可。本发明针对的是无边界游泳池宽度为20、30、40、50、60、70、80m时在不同流量下的跌坎水深和水流流速分布规律。
3、最小流量计算
(3-1)计算工况
根据跌落水舌特性研究结果表明：无边界游泳池跌落高度为0.6m、水舌不贴壁且不破时，跌坎断面水深为0.008m，跌坎断面流速数值处于0.31～0.42m/s的范围内。通过研究结果可知，跌坎断面水深与流速分别不小于0.008m与0.31～0.42m/s，无边界游泳池水舌的跌落高度超过0.6m且不贴壁且不破，因此将跌落高度为0.6m时水舌不贴壁且不破的判断标准定义成跌坎断面水深与流速值分别不小于0.008m与0.31～0.42m/s。
跌落水舌特性研究结果表明：无边界游泳池跌落高度为0.6m、水舌不贴壁且不破时，最小单宽流量为0.00156m3/s。因此为了计算无边界游泳池宽度分别为20、30、40、50、60、70、80m且跌落高度为0.6m时水舌不贴壁且不破的最小流量，分别建立数学模型，并在数值计算过程中分别将各数学模型的流量扩展为0.00155～0.00160m3/s的范围，即0.00155、0.00156、0.00157、0.00158、0.00159、0.00160m3/s，以研究各计算工况时跌坎断面水深与流速值是否不小于0.008m与0.31～0.42m/s。
(3-2)数值模拟计算结果
数学模型选择合理计算模型与欠松弛因子而进行迭代计算，待计算稳定收敛后，将提取跌坎断面水深与流速值，导入数据处理软件，形成跌坎断面流速与水深的关系曲线，分别见图13-图19。
根据图13-图19可知：
(1)当无边界游泳池宽度为20m时，单宽流量为0.00155～0.00160m3/s的跌坎水深约为0.011m(大于0.008m)，但流量为0.00155m3/s在水深为0.008m处的流速为0.30m/s(小于0.31m/s)，而流量为0.00156～0.00160m3/s在相应水深处均大于标准曲线的相应值。因此判定无边界游泳池跌落高度为0.6m时水舌不贴壁且不破的最小单宽流量为0.00156m3/s，总流量为0.0312m3/s。
(2)当无边界游泳池宽度为30m时，单宽流量为0.00155～0.00160m3/s的跌坎水深约为0.011m(大于0.008m)，流量为0.00156～0.00160m3/s在相应水深处均大于标准曲线的相应值。因此判定无边界游泳池跌落高度为0.6m时水舌不贴壁且不破的最小单宽流量为0.00155m3/s，总流量为0.0456m3/s。
(3)当无边界游泳池宽度为40m时，单宽流量为0.00155～0.00160m3/s的跌坎水深约为0.011m(大于0.008m)，流量为0.00156～0.00160m3/s在相应水深处均大于标准曲线的相应值。因此判定无边界游泳池跌落高度为0.6m时水舌不贴壁且不破的最小单宽流量为0.00155m3/s，总流量为0.0620m3/s。
(4)当无边界游泳池宽度为50m时，单宽流量为0.00155～0.00160m3/s的跌坎水深约为0.011m(大于0.008m)，但流量为0.00155～0.00159m3/s在水深为0.008m处的流速为0.28～0.30m/s(小于0.31m/s)，而流量为0.00160m3/s在相应水深处均大于标准曲线的相应值。因此判定无边界游泳池跌落高度为0.6m时水舌不贴壁且不破的最小单宽流量为0.00160m3/s，总流量为0.0800m3/s。
(5)当无边界游泳池宽度为60m时，单宽流量为0.00155～0.00160m3/s的跌坎水深约为0.011m(大于0.008m)，但流量为0.00155～0.00159m3/s在水深为0.008m处的流速为0.28～0.30m/s(小于0.31m/s)，而流量为0.00160m3/s在相应水深处均大于标准曲线的相应值。因此判定无边界游泳池跌落高度为0.6m时水舌不贴壁且不破的最小单宽流量为0.00160m3/s，总流量为0.0960m3/s。
(6)当无边界游泳池宽度为70m时，单宽流量为0.00155～0.00160m3/s的跌坎水深约为0.011m(大于0.008m)，但流量为0.00155～0.00159m3/s在水深为0.008m处的流速为0.28～0.30m/s(小于0.31m/s)，而流量为0.00160m3/s在相应水深处均大于标准曲线的相应值。因此判定无边界游泳池跌落高度为0.6m时水舌不贴壁且不破的最小单宽流量为0.00160m3/s，总流量为0.1120m3/s。
(7)当无边界游泳池宽度为80m时，单宽流量为0.00155～0.00160m3/s的跌坎水深约为0.011m(大于0.008m)，但流量为0.00155～0.00159m3/s在水深为0.008m处的流速为0.28～0.30m/s(小于0.31m/s)，而流量为0.00160m3/s在相应水深处均大于标准曲线的相应值。因此判定无边界游泳池跌落高度为0.6m时水舌不贴壁且不破的最小单宽流量为0.00160m3/s，总流量为0.1280m3/s。
结果表明：当无边界游泳池宽度为20、30、40、50、60、70、80m且跌落高度为0.6m时，水舌不贴壁且不破的最小流量分别是0.0312、0.0456、0.0620、0.0800、0.0960、0.1120、0.1280m3/s。

Claims (2)

1.一种无边界游泳池水跌流量计算方法，其特征在于：所述计算方法包括以下步骤：
A.利用gambit软件建立无边界游泳池模型，泳池宽度为20.0～80.0m、水流跌落高度为0.6m，规则区域剖分结构性网格，不规则区域剖分非结构性网格，网格偏斜率小于0.8，设置边界条件，导出模型；
B.将建立的无边界游泳池模型导入Ansys Fluent软件中，选择k-ε模型的RNG模式，调节欠松弛因子和初始条件，初始化后开始迭代计算，时刻观察迭代曲线，待计算稳定后，判断计算收敛程度；
C.等迭代计算稳定收敛后，提取中间断面所有节点的海量有效数据，导入图形处理软件Tecplot中，调节水体积分数至0.95，同时调节显示云图指标，观察水体积分布云图：
(1)若水膜贴壁或破裂，则增加单宽流量，重复步骤B和C，直至水膜达到不贴壁且不破的状态；
(2)若水膜不贴壁且不破，则减小单宽流量，重复步骤B和C，直至水膜达到水膜贴壁或破裂的状态；
(3)得到的最小单宽流量即为模型水膜不贴壁且不破时的最小流量；
D.将有效节点的高度与流速值拟合成曲线，从曲线中查得固定宽度的无边界游泳池运行时，水膜不贴壁且不破的最小流量。
2.根据权利要求1所述的一种无边界游泳池水跌流量计算方法，其特征在于：所述步骤B中，模型控制方程如下：
连续性方程：
Figure FDA0002033275000000011
动量方程：
Figure FDA0002033275000000021
k方程：
Figure FDA0002033275000000022
ε方程：
Figure FDA0002033275000000023
其中，ρ为体积分数平均密度，μ为分子粘性系数，ui为流速分量，P为修正压力，μt为紊动粘性系数，Gk为平均速度梯度引起的紊动能产生项；μt、Gk、C2ε *的具体表达式如下：
Figure FDA0002033275000000024
Figure FDA0002033275000000025
Figure FDA0002033275000000026
其中，η＝Sk/ε，S＝(2SijSij)0.5。
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