CN111311734A - 铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法，收集、分析和校核铀尾矿库排洪系统的基本资料；选择适用的数值模拟软件；建立尾矿库排洪系统的三维数值模型并分区域划分网格；确定铀尾矿库排洪系统进口及出口的边界条件；采用经过试验研究的模型进行数值模拟，并与模型试验结果对比，根据对比结果验证、率定、优化数值模型；对铀尾矿库排洪系统进行三维数值模拟；给出铀尾矿库排洪系统的泄流能力、壁面压力、水流流速、水深、流态相关数据。通过建立铀尾矿库排洪系统三维数值模型，可不必考虑模型试验的缩尺效应，解决理论公式法在排洪系统布置方式和结构尺寸方面的局限性，方法费用低廉、周期短、模拟精度高。

Description

铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法

技术领域

本发明涉及铀尾矿库安全技术领域，特别是指一种铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法。

背景技术

排洪系统是铀尾矿库的重要组成部分，一般具有工程单一、不便综合利用，集流面积小，泄水机率小，泄洪时间短，但泄洪流速较大，排洪标准较高，且不易引起重视等特点。排洪系统一旦出现故障导致洪水排泄不畅，对尾矿库的威胁非常大，甚至可能产生灾难性后果。据统计，国内外发生的尾矿库重大事故中，由于溢水塔、排洪隧洞等排洪构筑物破坏和洪水漫顶等原因造成的尾矿库失事占有很大比重。研究尾矿库排洪系统水力特性对于保证铀尾矿库安全稳定运行具有十分重要的意义。

铀尾矿库排洪系统水力特性研究常用的研究手段主要有理论公式法及模型试验法等。理论公式法形式简单，但仅采用理论分析方法确定构筑物的布置方式和结构尺寸有一定局限性；模型试验经过实践检验，具有高度的准确性，但模型试验花费较高、试验周期较长，且由于缩尺效应存在，对许多工程中关心的问题，利用模型试验都无法准确研究。

发明内容

本发明提出一种铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法，解决了现有技术中理论公式法形式简单，但仅采用理论分析方法确定构筑物的布置方式和结构尺寸有一定局限性；模型试验经过实践检验，具有高度的准确性，但模型试验花费较高、试验周期较长，且由于缩尺效应存在，对许多工程中关心的问题，利用模型试验都无法准确研究的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法，具体包括以下步骤：

S1，收集资料：收集铀尾矿库排洪系统的基本资料，并对资料进行分析和校核；

S2，选定模拟软件：根据铀尾矿库排洪系统结构特点及软件功能、特点，选择适用的数值模拟软件；

S3，建立三维模型：利用选定的数值模拟软件建立尾矿库排洪系统的三维数值模型，三维数值模型与铀尾矿库排洪系统的基本资料相对应；

S4，划分模型网格：确定模型网格划分方法，分区域划分三维数值模型网格，网格采用非结构化网格；

S5，确定边界条件：根据实际边界，确定铀尾矿库排洪系统进口及出口的边界条件；

S6，选择求解方法：选择紊流数学模型、控制方程离散方法、自由表面追踪方法作为数值模拟的求解方法；

S7，验证并率定数值模型：采用选定的数值模拟软件对经过试验研究的模型进行数值模拟，并与模型试验结果对比，根据对比结果验证、率定、优化数值模型；

S8，确定计算方案并模拟：考虑遭遇不同标准洪水和进口水位拟定计算方案，采用经优化后的三维数值模型，对铀尾矿库排洪系统进行三维数值模拟；

S9，分析计算结果：分析计算结果可靠性和合理性，给出铀尾矿库排洪系统的泄流能力、壁面压力、水流流速、水深、流态相关数据。

作为本发明的一个优选实施例，S2中的数值模拟软件为Fluent。

作为本发明的一个优选实施例，步骤S3中三维数值模型与铀尾矿库排洪系统的基本资料相对应具体指的是：三维数值模型与铀尾矿库排洪系统的排洪井—管/隧洞平面位置及结构尺寸、结构型式、断面尺寸相对应。

作为本发明的一个优选实施例，步骤S4中网格尺寸由壁面向中心逐渐增大，第一层网格尺寸满足y+要求，选取沿水流方向为x方向，重力方向为z方向，网格的单元尺寸为0.2～0.4m。

作为本发明的一个优选实施例，加密排洪系统井座、井管连接处等结构变化剧烈处的网格密度。

作为本发明的一个优选实施例，步骤S5中铀尾矿库排洪系统进口及出口的边界条件具体为：

排洪井井顶设置为压力入口边界，水的体积分数为0，水从排洪井进入排洪系统，进水边界设置为压力入口边界，水的体积分数为1，采用自编程序输入泄流水深；排洪管、排洪隧洞设置为法向速度为零、无滑移的固体边壁；消力池及下游水渠顶部设置为压力入口边界，水的体积分数为0；下游水渠出口方向为自由出流，设置为压力出口边界，初始状态水的体积分数为0。

本发明的有益效果在于：数值模拟通过建立铀尾矿库排洪系统三维数值模型，对排洪系统进行三维模拟；解决理论公式法在布置方式和结构尺寸方面的局限性，从建立数值模型、进行模拟，到得到模拟结果并进行分析，远远短于排洪系统模型试验所需的时间。数值模拟可不必考虑模型试验中不可避免的缩尺效应，直接对铀尾矿库排洪系统原型进行研究，获得更为直接、详尽的数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法一个实施例的流程图；

图2为排洪井井座泄流流态；

图3为排洪井井座泄流流速矢量图；

图4为排洪井井座壁面压力等值线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图4所示，本发明提出了一种铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法，具体包括以下步骤：

S1，收集资料：收集铀尾矿库排洪系统的基本资料，并对资料进行分析和校核；基本资料是开展铀尾矿库排洪系统水力特性模拟工作的前提条件，主要包括：尾矿库排洪系统设计图纸等。使用资料时对资料进行认真分析和校核，发现问题仔细考证，及时与提供资料的部门进行商酌。

S2，选定模拟软件：根据铀尾矿库排洪系统结构特点及软件功能、特点，选择适用的数值模拟软件；本实例选取的数值模拟软件为Fluent。

S3，建立三维模型：利用选定的数值模拟软件建立尾矿库排洪系统的三维数值模型，三维数值模型与铀尾矿库排洪系统的基本资料相对应；精细模拟、准确分析排洪系统水力特性的关键在于建立准确、合理的三维数值模型。根据某铀尾矿库排洪系统设计图纸、竣工图纸，利用三维建模软件建立尾矿库排洪系统的三维模型。建立排洪系统三维数值模型时，首要依据是排洪井—管(隧洞)平面位置及结构尺寸等工程数据，确保模型结构型式、断面尺寸与实际情况相匹配，模型准确。

S4，划分模型网格：确定模型网格划分方法，分区域划分三维模型网格，由于模型结构复杂，网格采用非结构化网格。在划分数值模型网格时，为保证可准确模拟井—管(隧洞)内贴壁流动，采用渐变网格，即网格尺寸由壁面向中心逐渐增大，第一层网格尺寸可满足y+要求。选取沿水流方向为x方向，重力方向为z方向，网格的单元尺寸为0.2～0.4m。加密排洪系统井座、井管连接处等结构变化剧烈处等重点区域网格密度，以提高数值模拟精度。

S5，确定边界条件：根据实际边界，确定尾矿库排洪系统进口及出口的边界条件。排洪井井顶设置为压力入口边界，水的体积分数为0，水从排洪井进入排洪系统，进水边界设置为压力入口边界，水的体积分数为1，采用自编程序输入泄流水深。排洪管、排洪隧洞设置为法向速度为零、无滑移的固体边壁。消力池及下游水渠顶部设置为压力入口边界，水的体积分数为0。下游水渠出口方向为自由出流，设置为压力出口边界，初始状态水的体积分数为0。

S6，选择求解方法：选择紊流数学模型、控制方程离散方法、自由表面追踪方法作为数值模拟的求解方法；选择RNG k-ε紊流数学模型、有限体积法离散控制方程、VOF自由表面追踪方法等作为本实例数值模拟的求解方法。初始时间步长Δt＝0.0001s，根据计算收敛情况适时调整时间步长。具体的，计算收敛情况较好时，适当增大时间步长，以加快计算速度；计算收敛情况较差时，适当减小时间步长，以保证计算顺利进行。

S7，验证并率定数值模型：采用选定的数值模拟软件Fluent对经过试验研究的模型进行数值模拟，并与模型试验结果对比，根据对比结果验证、率定、优化数值模型；根据排洪系统在某水位下实测泄流量与数值模拟计算泄流量对比分析结果，优化调整数值模型结构及水力学参数。

S8，确定计算方案并模拟：考虑遭遇不同标准洪水和进口水位拟定计算方案，采用经优化后的三维数值模型，对铀尾矿库排洪系统进行三维数值模拟；

S9，分析计算结果：分析计算结果可靠性和合理性，给出铀尾矿库排洪系统的泄流能力、壁面压力、水流流速、水深、流态相关数据。如图2-图4所示，分别为三维数值模型一个实施例的模拟结果，计算人员可通过三维数值模型得出铀尾矿库排洪的泄流能力、壁面压力、水流流速、水深、流态相关数据，数据结果可以图像模式进行显示，将关键数据存储为Excel表格形式可供下载，在其他实施例中，也可将现有的相关数据导入三维数值模型中以图像化形式进行直观展示。

本发明提出铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法，方法费用低廉、周期短、模拟精度高，可直观查看铀尾矿库排洪系统计算结果。本发明具有以下优点：

1)填补数值方法研究铀尾矿库排洪系统水力特性方法的空白

本发明提供了一种铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法，填补了数值方法研究铀尾矿库排洪系统水力特性方法的空白。

2)成本低

数值模拟方法不需要购买试验设备、材料等，人员、设备等成本均大大低于铀尾矿库排洪系统模型试验。

3)周期短

数值模拟通过建立铀尾矿库排洪系统三维数值模型，对排洪系统泄流能力、压力、水流流速、水深、流态等进行模拟。从建立数值模型、进行模拟，到得到模拟结果并进行分析，仅需数天时间，远远短于排洪系统模型试验所需的时间。

4)无缩尺效应影响

数值模拟可不必考虑模型试验中不可避免的缩尺效应，直接对铀尾矿库排洪系统原型进行研究，获得更为直接、详尽的数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1，收集资料：收集铀尾矿库排洪系统的基本资料，并对资料进行分析和校核；

S2，选定模拟软件：根据铀尾矿库排洪系统结构特点及软件功能、特点，选择适用的数值模拟软件；

S3，建立三维模型：利用选定的数值模拟软件建立尾矿库排洪系统的三维数值模型，三维数值模型与铀尾矿库排洪系统的基本资料相对应；

S4，划分模型网格：确定模型网格划分方法，分区域划分三维数值模型网格，网格采用非结构化网格；

S5，确定边界条件：根据实际边界，确定铀尾矿库排洪系统进口及出口的边界条件；

S6，选择求解方法：选择紊流数学模型、控制方程离散方法、自由表面追踪方法作为数值模拟的求解方法；

S7，验证并率定数值模型：采用选定的数值模拟软件对经过试验研究的模型进行数值模拟，并与模型试验结果对比，根据对比结果验证、率定、优化数值模型；

S8，确定计算方案并模拟：考虑遭遇不同标准洪水和进口水位拟定计算方案，采用经优化后的三维数值模型，对铀尾矿库排洪系统进行三维数值模拟；

S9，分析计算结果：分析计算结果可靠性和合理性，给出铀尾矿库排洪系统的泄流能力、壁面压力、水流流速、水深、流态相关数据。

2.根据权利要求1所述的铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法，其特征在于，S2中的数值模拟软件为Fluent。

3.根据权利要求1或2所述的铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法，其特征在于，步骤S3中三维数值模型与铀尾矿库排洪系统的基本资料相对应具体指的是：三维数值模型与铀尾矿库排洪系统的排洪井—管/隧洞平面位置及结构尺寸、结构型式、断面尺寸相对应。

4.根据权利要求3所述的铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法，其特征在于，步骤S4中网格尺寸由壁面向中心逐渐增大，第一层网格尺寸满足y+要求，选取沿水流方向为x方向，重力方向为z方向，网格的单元尺寸为0.2～0.4m。

5.根据权利要求4所述的铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法，其特征在于，加密排洪系统井座、井管连接处结构变化剧烈处的网格密度。

6.根据权利要求1所述的铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法，其特征在于，步骤S5中铀尾矿库排洪系统进口及出口的边界条件具体为：

排洪井井顶设置为压力入口边界，水的体积分数为0，水从排洪井进入排洪系统，进水边界设置为压力入口边界，水的体积分数为1，采用自编程序输入泄流水深；排洪管、排洪隧洞设置为法向速度为零、无滑移的固体边壁；消力池及下游水渠顶部设置为压力入口边界，水的体积分数为0；下游水渠出口方向为自由出流，设置为压力出口边界，初始状态水的体积分数为0。

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