CN110096758B - 一种枢纽工程泄洪消能工参数化动态设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种枢纽工程泄洪消能工参数化动态设计方法，整个方法中只需要输入原式枢纽设计参数和模拟所需参数，整个建模、分网、计算过程完全通过系统开发在后台实现，通过参数的输入直接生成相应的模型、网格、流态云图和泄洪建筑物安全风险评估结果。与现有技术相比，该方法操作难度低，需求参数简单，降低设计人员使用难度；省去了繁琐的人工操作，降低了人工操作的负担，提高了工作效率，大幅度降低了整个过程的时间耗费；模型建立和分网通过系统自动完成，建模和分网更为精确。该方法大幅度提高了泄洪消能工设计的效率，降低了整个模拟过程中的时间成本和人力成本。
Description
技术领域
本发明涉及枢纽工程技术领域，特别涉及一种枢纽工程泄洪消能工参数化动态设计方法。
背景技术
随着我国水电事业的发展和工程水平的提高，坝体泄洪建筑物也朝着精细化、安全化方向发展。在设计过程中，不可避免的会遇到众多的流态、应力、稳定的计算，而相关计算软件往往计算过程繁琐，掌握计算方法困难，建模计算耗费时间长，人力成本和时间成本高。因此，泄洪消能工参数化动态设计已经成为泄洪消能工设计的必要环节和热点技术问题。
从设计方面考虑，传统的人工计算设计再交由计算软件模拟校核的方法所存的缺点分析如下：
1.由于相关工程计算软件使用较为复杂、种类较为繁多，大多数工程设计人员无法掌握设计过程中需要的所有计算软件。
2.设计周期较长，从设计方案到软件计算结果得出需要耗费大量的时间成本和人力成本。
3.计算结果难以直接变为可参考的修改意见，需要进行进一步的分析。
综上，目前泄洪消能工设计流程存在着耗费大量人力物力、技术门槛高、整个流程复杂的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种枢纽工程泄洪消能工参数化动态设计方法，该方法步骤简单、操作难度低、计算结果精确，省去了人工操作，大幅度提高了泄洪消能工设计的效率，降低了整个模拟过程中的时间成本和人力成本。
本发明实施例提供一种枢纽工程泄洪消能工参数化动态设计方法，包括：
S1、获取泄洪消能工模型参数和模拟所需模型编号、模型名称；所述模型参数包括：选择泄洪消能工基础类型、泄洪建筑物尺寸参数和消力池尺寸参数；存入数据库中并调用相关的预设模型零件并对其细部尺寸进行修改；
S2、建立装配轴和装配面，将泄洪消能工模型零件进行装配；以泄洪建筑物模型为基础建立流场模型；导出ACIS格式；
S3、通过对Gambit的二次开发完成；使用python根据存入数据库中的消能工类型选择相应的journal文件，并根据泄洪建筑物尺寸参数和消力池尺寸参数对该journal文件的分网参数进行自动修改；Gambit自动调用流场模型文件和修改后的journal文件，完成自动分网并导出网格文件；
S4、获取水流进口速度大小、湍流强度、湍流粘性比、库朗数、上游水位、下游水垫塘水位、模拟时长的求解参数，并保存；
S5、流态模拟计算，通过对fluent进行二次开发；采用两相流模型，k–ε湍流模型进行迭代计算；
S6、模拟计算时，根据模拟信息数据中选择的模拟内容，生成水流流态云图、水流流速云图、坝体应力云图；显示所述云图；
S7、对于云图细化分析及特征点数据提取，生成泄洪建筑物安全风险评估结果。
在一个实施例中，所述S2步骤，包括：
S101、获取界面参数输入；
S102、在数据库查询并调用已有模型；
S103、创建零件模型和坝体装配体；
S104、创建流场模型以及泄洪流场装配体；
S105、将建立好的模型格式通过CAD导出为ACIS格式模型；
S106、获取模型信息数据的录入；
S107、将流场模型在前台显示。
在一个实施例中，所述S3步骤，包括：
S301、选择录入数据库中的模拟信息，识别所述模拟信息中匹配的模型；每个模型都有唯一对应的模型ID，通过识别模型ID来匹配相应的Journal文件；
S302、Journal文件的自动修改；
S303、模型文件的自动读取：使用python语言开发脚本，用于自动运行Gambit程序，并读入选中模拟信息对应的模型；
S304、对应所述模型的模型ID自动读取相应的journal文件，实现自动分网并导出网格文件。
在一个实施例中，所述S5步骤，包括：
S501、Fluent自动计算的二次开发通过fluent软件中开放的journal日志文件进行；
S502、根据模拟信息数据中的模型ID确定网格文件文件名，根据模拟信息数据中的求解信息ID确定相应求解信息中的各个水力参数；
S503、计算采用VOF两相流模型，标准k-ε湍流模型：
公式1：
μi＝ρCμk2/ε
公式2：
公式3：
其中，ρ为流体密度；Gk为层流速度梯度引起的湍流动能项；Gb为浮力引起的湍流动能项；Ym为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；Cξ1，Cξ2为常数；σk为湍流Prantl数；μ为黏度；μt为湍流黏性系数；k为湍流动能，m2/s2；ε为湍流耗散率。
进行迭代计算。
在一个实施例中，所述S7步骤，包括：
S701、对Tecplot进行二次开发，通过Tecplot中内置的Macro功能；预编写Tecplot可识别的mcr文件，在文件中写入数据导入、云图细化、坐标显示、图像导出语句；
S702、查看云图后处理时，生成泄洪建筑物安全风险评估结果，通过运行tecplot程序并将图形显示页面显示在前台。
本发明提出的一种枢纽工程泄洪消能工参数化动态设计方法，整个方法中只需要输入原式枢纽设计参数和模拟所需参数，整个建模、分网、计算过程完全通过系统开发在后台实现，通过参数的输入直接生成相应的模型、网格、流态云图和泄洪建筑物安全风险评估结果。
本发明的优点在于，与现有技术相比：
1.操作难度低，需求参数简单，降低设计人员使用难度。
2.省去了繁琐的人工操作，降低了人工操作的负担，提高了工作效率，大幅度降低了整个过程的时间耗费。
3.模型建立和分网通过系统自动完成，建模和分网更为精确。
本方法步骤简单、操作难度低、计算结果精确，省去了人工操作，大幅度提高了泄洪消能工设计的效率，降低了整个模拟过程中的时间成本和人力成本。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明系统架构关系图；
图2为本发明提供的泄洪模型装配界面图；
图3为本发明提供的流道生成装配模型；
图4为本发明提供的求解信息录入及调取界面图；
图5为本发明提供的模拟信息查询显示界面图；
图6为本发明提供的云图后处理及特征点详细数据图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供一种枢纽工程泄洪消能工参数化动态设计方法，包括：
S1、获取泄洪消能工模型参数和模拟所需模型编号、模型名称；所述模型参数包括：选择泄洪消能工基础类型、泄洪建筑物尺寸参数和消力池尺寸参数；存入数据库中并调用相关的预设模型零件并对其细部尺寸进行修改；
S2、建立装配轴和装配面，将泄洪消能工模型零件进行装配；以泄洪建筑物模型为基础建立流场模型；导出ACIS文件；
S3、通过对Gambit的二次开发完成；使用python根据存入数据库中的消能工类型选择相应的journal文件，并根据泄洪建筑物尺寸参数和消力池尺寸参数对该journal文件的分网参数进行自动修改；Gambit自动调用流场模型文件和修改后的journal文件，完成自动分网并导出网格文件；其中：Gambit是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学(CFD)模型和其它科学应用而设计的一个软件包。Gambit通过它的用户界面(GUI)来接受用户的输入。其中：Journal文件为Gambit中的日志文件，其包括运算步骤、参数取值、结果输出等全部信息，通过导入Journal文件，可以实现网格剖分的自动化批处理。
S4、获取水流进口速度大小、湍流强度、湍流粘性比、库朗数、上游水位、下游水垫塘水位、模拟时长的求解参数，并保存；
S5、流态模拟计算，通过对fluent进行二次开发；采用两相流模型，k–ε湍流模型进行迭代计算；
S6、模拟计算时，根据模拟信息数据中选择的模拟内容，生成水流流态云图、水流流速云图、坝体应力云图；显示所述云图；
S7、对于云图细化分析及特征点数据提取，生成泄洪建筑物安全风险评估结果。
参照图1所示，该设计方法基于图1的系统自动完成；
下面通过两个具体实施例来说明本发明。
实施例一：
步骤一、参数化三维建模
步骤101、界面参数输入：
通过坝体模型略图数据库寻找满足要求的坝体模型，在程序界面中根据选择的坝体种类输入相应的坝体各个参数。
步骤102、数据库查询并调用已有模型：在数据库中查询相应的模型建立语句，并根据界面中输入的参数自行修改尺寸大小。调用数据库中的数据写入文件中。
步骤103、创建零件模型和坝体装配体：通过inventer读取模型建立文件，自行创建坝体零件模型。打开需要装配的零件模型存入内存中，确定装配约束轴和约束面，建立装配体并将零件加载入装配体中，自行拼接组合成完整的坝体模型；Inventer为三维软件。
步骤104、创建流场模型以及泄洪流场装配体：由于网格划分和计算域的工作对象是流场模型。因此生成坝体模型后，通过布尔减的方式生成流场模型，并自动按照上述步骤完成流场区域的装配。
步骤105、文件格式转换：将建立好的模型格式通过CAD导出为ACIS格式模型，用于下一步网格划分。
步骤106、模型信息数据的录入：在系统的模型信息添加界面为模型设置模型编号和模型名称作为唯一标识符，并将模型文件导入系统。在执行模型信息录入时，后台会自动将模型文件另存并输出为ifc格式文件，用于BIM模型(建筑信息模型化)的可视化查询。
步骤107、模型的前台显示：在系统中可以通过点击录入的模型信息数据，查看该模型的体型、参数等。
该步骤一中：输入数据包括选择泄洪消能工基础类型、泄洪建筑物尺寸参数、消力池尺寸参数等。参数会存入数据库中并调用相关的预设模型零件并对其细部尺寸进行修改。生成模型信息数据及模型可视化界面如图2所示。
系统自动建立装配轴和装配面，将泄洪消能工模型零件进行装配，并使用相同的方法建立流场模型。图3为以泄洪建筑物模型为基础装配的流场模型。模型建立完成后导出为ACIS格式以便进行分网计算操作。
步骤二、求解信息参数的输入和匹配
步骤201、求解信息参数输入：求解信息的参数用于确定水流条件。在系统的求解信息参数参数界面输入相应水流条件的水力学参数，包括：水流进口速度大小、湍流强度、湍流粘性比、库朗数、上游水位、下游水垫塘水位、计算步数、每步迭代次数、每次迭代间隔等参数。
步骤202、求解信息的录入：输入的求解信息录入数据库，并生成一条求解信息数据。
步骤203、模拟信息的录入：在系统的泄洪流态模拟界面中选择模型库中建立好的模型和数据库中录入的求解信息。可以做到不同的模型和不同的求解信息的匹配，达到可以模拟不同水流条件下不同泄洪建筑物泄洪情况。生成的模拟信息会自动录入数据库并生成一条模拟信息数据。
步骤三、网格自动划分
步骤301、模拟信息的选择：选择录入数据库中的模拟信息，系统会自动识别该模拟信息中匹配的模型。每个模型都有唯一对应的模型ID，通过识别模型ID来匹配相应的Journal文件。
步骤302、Journal文件的自动修改：Gambit的二次开发通过journal文件实现，journal文件是Gambit的日志文件，可以通过将journal文件导入Gambit中完成自动分网。本专利中通过将journal文件中相应的水力学参数设置为变量，在选择模拟信息后自动从数据库中提取该模拟信息中匹配的求解信息数据中的水力学参数。利用python脚本自动修改原始journal文件，将原始journal文件中的变量替换为相应的水力学参数并另存为以模拟信息ID为文件名的journal文件。
步骤303、模型文件的自动读取：使用python语言开发脚本，该脚本用于自动运行Gambit程序，并读入选中模拟信息对应的模型。系统会从数据库中提取该模拟信息对应的模型id、模型文件名称和模型文件储存位置，并将其自动读入Gambit。
步骤304、Journal文件的自动读取：在读取模型文件后，对应该模型的模型ID自动读取相应的journal文件。文件中包含分网所需的全部信息和分网流程，读入后可进行自动分网、设置边界条件，并自动将网格文件保存为mesh文件，文件名为模型ID。该网格文件既可自动读取用于后续泄洪模拟，也可以手动下载用于其他用途。分网过程中，Gambit分网程序后台运行，分网结束后自动关闭。
该步骤三中：划分网格：通过对Gambit的二次开发完成。使用python根据存入数据库中的消能工类型选择相应的journal文件，并根据泄洪建筑物尺寸参数和消力池尺寸参数对该journal文件的分网参数进行自动修改。Gambit自动调用流场模型文件和修改后的journal文件，完成自动分网并导出网格文件。
在系统界面的相应对话框中输入水流进口速度大小、湍流强度、湍流粘性比、库朗数、上游水位、下游水垫塘水位、模拟时长等参数，如图4所示，上述参数传入数据库中保存。
步骤四、泄洪流态及压力模拟
步骤401、fluent二次开发接口文件的修改：Fluent自动计算的二次开发通过fluent软件中开放的journal日志文件进行。该文件可以通过内置的语言来进行数据处理的步骤操作。书写原始journal文件，按照计算流程编写好原始文件并将需要的水力学参数以及需要导入的网格文件文件名设为变量。
步骤402、journal文件变量的确定：根据模拟信息数据中的模型ID确定网格文件文件名，根据模拟信息数据中的求解信息ID确定相应求解信息中的各个水力参数。从数据库中读取这些数据，并利用预编好的python脚本读取原始journal文件的内容并将其中的变量替换为具体值后另存为以模拟信息为ID的journal文件。
步骤403、流态模拟计算：流态模拟计算使用fluent计算软件。由于读入网格文件步骤已经以日志语言的方式写入journal文件，只需替换文件路径和文件名，因此只需进行journal文件读入。使用用预编的python脚本，在识别fluent软件已经运行后，对fluent项目执行读取journal文件命令，并隐藏fluent程序，使fluent主程序进入后台运行。
公式1：
μi＝ρCμk2/ε
公式2：
公式3：
其中，ρ为流体密度；Gk为层流速度梯度引起的湍流动能项；Gb为浮力引起的湍流动能项；Ym为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；Cξ1，Cξ2为常数；σk为湍流Prantl数；μ为黏度；μt为湍流黏性系数；k为湍流动能，m2/s2；ε为湍流耗散率。
进行迭代计算。预设计算步数为1000步，每步迭代20次，每次迭代计算时长为0.2秒，即预设模拟时间为4000秒。根据用户需求不同可通过修改上述参数修改模拟时间。预设保存云图方式为每步保存一次，即每4秒保存一次计算数据及视屏每帧之间间隔4秒。
选取相应的journal文件并根据数据库中的求解器求解参数自动修改journal文件；系统读取模型的mesh网格文件和修改后的journal文件，开始迭代计算并将残差图显示在软件界面上。
步骤404、计算结果的生成：模拟计算时，根据模拟信息数据中选择的模拟内容，可以生成水流流态云图、水流流速云图、坝体应力云图等多种云图。生成项目文件cas文件、数据文件dat文件，上述生成文件可在系统中提供下载，用于计算结果的后处理，也可用于手动导入fluent中进行操作。生成每步云图保存文件hmf文件、全过程模拟动态云图视频文件，视频文件可以在系统中进行在线观看，也可以下载至本地。
步骤五、云图后处理及详细信息
步骤501、Tecplot的二次开发：云图后处理使用Tecplot进行。本专利中对Tecplot进行二次开发，通过Tecplot中内置的Macro功能。预编写Tecplot可识别的mcr文件，在文件中写入数据导入、云图细化、坐标显示、图像导出等语句。
其中，Tecplot为CAE计算结果后处理软件，通过对Tecplot进行二次开发，实现自动识别及输出关键数据如水舌扬程、截面流速流态等。
Macro为宏指令，用于说明某一特定输入如何根据预定义规则转换成对应的输出。在Tecplot中具有内置的预定义规则。可以通过编译mcr文件进行输出，达到自动化处理的目的。
步骤502、Tecplot中数据文件及Macro文件的自动录入：在系统中查看云图后处理时，会通过后台自动运行tecplot程序并将图形显示页面显示在前台。
动画导出并生成风险评估报告：模拟完毕将存储的云图动画显示在前台，也可在下下载模拟动画视频，如图5所示。
以模拟信息数据中模拟信息ID作为唯一标识符，使用python开发脚本，读取模拟信息并自动替换python脚本中的文件名变量，将模拟计算时生成的cas数据及dat数据导入tecplot中。
同时，识别预编写的mcr文件并将mcr文件导入Tecplot中，完成云图的后处理显示。云图后处理显示可提供尺寸信息、特征点坐标、特定截面云图、流线效果等。
步骤503、云图中关键数据的提取：使用python编写的可执行程序，为Tecplot提供详细信息的自动提取和录入。用户按住CTRL+SHIFT，并用鼠标左键点击需要详细信息的点，可以得到该点的具体坐标及计算数据，计算数据的内容根据步骤四中用户预设的需求数据决定，可提供该点流速、水气比、应力等。提取到的数据会自动录入数据库并在系统前台界面显示。
对于云图细化分析及特征点数据提取：对Tecplot进行二次开发，使其可以自动将计算得到的结果数据载入并生成细化云图。在云图中可以选择需要的点读取详细数据并将数据保存至数据库。如图6所示。
本发明提供的一种枢纽工程泄洪消能工参数化动态泄洪设计方法，整个方法中只需要输入原式枢纽设计参数和模拟所需参数，整个建模、分网、计算过程完全通过系统开发在后台实现，通过参数的输入直接生成相应的模型、网格、流态云图和泄洪建筑物安全风险评估结果。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种枢纽工程泄洪消能工参数化动态设计方法，其特征在于，包括：
S1、获取泄洪消能工模型参数和模拟所需模型编号、模型名称；所述模型参数包括：选择泄洪消能工基础类型、泄洪建筑物尺寸参数和消力池尺寸参数；存入数据库中并调用相关的预设模型零件并对其细部尺寸进行修改；
S2、建立装配轴和装配面，将泄洪消能工模型零件进行装配；以泄洪建筑物模型为基础建立流场模型；导出ACIS格式；
S3、通过对Gambit的二次开发完成；使用python根据存入数据库中的消能工类型选择相应的journal文件，并根据泄洪建筑物尺寸参数和消力池尺寸参数对该journal文件的分网参数进行自动修改；Gambit自动调用流场模型文件和修改后的journal文件，完成自动分网并导出网格文件；
S4、获取水流进口速度大小、湍流强度、湍流粘性比、库朗数、上游水位、下游水垫塘水位、模拟时长的求解参数，并保存；
S5、流态模拟计算，通过对fluent进行二次开发；采用两相流模型，k–ε湍流模型进行迭代计算；
S6、模拟计算时，根据模拟信息数据中选择的模拟内容，生成水流流态云图、水流流速云图、坝体应力云图；显示所述云图；
S7、对于云图细化分析及特征点数据提取，生成泄洪建筑物安全风险评估结果；
在S4和S5中间存在求解信息参数的输入和匹配步骤,具体包括：
S201、求解信息参数输入：求解信息的参数用于确定水流条件；在系统的求解信息参数参数界面输入相应水流条件的水力学参数，包括：水流进口速度大小、湍流强度、湍流粘性比、库朗数、上游水位、下游水垫塘水位、计算步数、每步迭代次数、每次迭代间隔参数；
S202、求解信息的录入：输入的求解信息录入数据库，并生成一条求解信息数据；
S203、模拟信息的录入：在系统的泄洪流态模拟界面中选择模型库中建立好的模型和数据库中录入的求解信息；做到不同的模型和不同的求解信息的匹配，达到模拟不同水流条件下不同泄洪建筑物泄洪情况；生成的模拟信息会自动录入数据库并生成一条模拟信息数据；
S7具体步骤包括：
S701、对Tecplot进行二次开发，通过Tecplot中内置的Macro功能；预编写Tecplot可识别的mcr文件，在文件中写入数据导入、云图细化、坐标显示、图像导出语句；
S702、查看云图后处理时，生成泄洪建筑物安全风险评估结果，通过运行tecplot程序并将图形显示页面显示在前台；
S703、使用python编写的可执行程序，为Tecplot提供详细信息的自动提取和录入；用户按住CTRL+SHIFT，并用鼠标左键点击需要详细信息的点，得到该点的具体坐标及计算数据，计算数据的内容根据步骤S5中用户预设的需求数据决定，提供该点流速、水气比、应力；提取到的数据会自动录入数据库并在系统前台界面显示。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2步骤，包括：
S101、获取界面参数输入；
S102、在数据库查询并调用已有模型；
S103、创建零件模型和坝体装配体；
S104、创建流场模型以及泄洪流场装配体；
S105、将建立好的模型格式通过CAD导出为ACIS格式模型；
S106、获取模型信息数据的录入；
S107、将流场模型在前台显示。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3步骤，包括：
S301、选择录入数据库中的模拟信息，识别所述模拟信息中匹配的模型；每个模型都有唯一对应的模型ID，通过识别模型ID来匹配相应的Journal文件；
S302、Journal文件的自动修改；
S303、模型文件的自动读取：使用python语言开发脚本，用于自动运行Gambit程序，并读入选中模拟信息对应的模型；
S304、对应所述模型的模型ID自动读取相应的journal文件，实现自动分网并导出网格文件。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S5步骤，包括：
S501、Fluent自动计算的二次开发通过fluent软件中开放的journal日志文件进行；
S502、根据模拟信息数据中的模型ID确定网格文件文件名，根据模拟信息数据中的求解信息ID确定相应求解信息中的各个水力参数；
S503、计算采用VOF两相流模型，标准k–ε湍流模型:
公式1：
μi＝ρCμk2/ε
公式2：
公式3：
其中，ρ为流体密度；Gk为层流速度梯度引起的湍流动能项；Gb为浮力引起的湍流动能项；Ym为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；Cξ1，Cξ2为常数；σk为湍流Prantl数；μ为黏度；μt为湍流黏性系数；k为湍流动能,m2/s2；
ε为湍流耗散率；
进行迭代计算。
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