CN113378422A - 一种水位波动计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种水位波动计算方法。该方法采用计算流体动力学与现场实测数据反演相结合的方法，研究了某水利工程中线典型建筑物大流量输水情况下的水力特性，可对水工建筑物水体流态变化、水位波动过程进行理论分析和机理研究，得出的数值仿真计算结果与实测数据基本一致，为水利工程中线工程大流量输水的安全调度运行提供技术支撑和理论依据，为大流量输水的安全调度提供一定的指导，使工程在保证安全运行的前提下，充分发挥工程效益。

Description

一种水位波动计算方法
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，涉及水工建筑物水位波动计算领域，具体涉及一种水位波动计算方法。
背景技术
某水利工程是我国水资源调配的战略性工程，主要解决我国部分地区的水资源短缺问题。该工程中线一期工程自2014年全线通水以来，整体运行平稳，目前已安全运行5年，但当工程在大流量输水工况时，部分渡槽、倒虹吸等典型建筑物及与渠道衔接的进、出口处，出现了较明显的水位波动现象，局部出现漩涡、回流、湍流或水体掏刷；部分典型建筑物闸前出现水位雍高，可能影响或加大局部水头损失，出现工程安全隐患，对工程的安全调度运行造成影响。
数值模拟(Numerical Simulation)是运用数值计算和图像显示，来达到对工程问题和物理问题及至自然界各类问题研究目的的一个特定计算方法。其过程为：首先根据问题建立数学模型，其次建立反映问题各量之间关系的微分方程及相应的定解条件，最后选取计算方法进行高效、精确计算。但是，数值模拟需要求解的问题比较复杂，而目前数值求解方法在理论上不够完善，对大流量输水期间出现的水体流态变化、水位波动过程模拟效果不甚理想，因此亟需一种水工建筑物水位波动的计算方法对水位波动进行模拟计算。
发明内容
针对目前大流量输水工况出现较为明显的水位波动情况，目前的数值模拟方法不够完善的的缺陷和问题，本发明提供一种基于 Flow-3D数值分析软件的水位波动计算方法。
本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种水位波动计算方法，包括以下步骤：
步骤一、在ANSYS有限元软件中根据计算规模和实际渠道顺直段的长度以及模型的上、下游渠道段的长度建立固体域模型；
步骤二、利用SolidWorks软件将所建立模型转换为Flow-3D软件可以识别的STL格式，并导入Flow-3D软件，在固体域模型基础上添加流体域模型，然后利用Flow-3D流体计算软件进行固体域模型和流体域模型的网格划分；
步骤三、对网格质量进行检查，若网格质量不合格对网格重新进行划分；若网格质量合格，设置模型的边界条件和初始条件；
步骤四、建立不可压缩粘性流体的连续方程和动量方程作为控制方程研究流体与固体之间的相互作用力来描述水体运动；分析模型的本构率定，与现场实测数据进行对比选取合适的湍流模型；
步骤五、在Flow-3D软件中输入输水工况的基本参数，计算模型不同工况的雷诺数，采用选出的湍流模型进行数值仿真模拟分析，对模型进行流速、水深、水位波动的计算以及对尾墩脱落涡特性的分析。
上述的水位波动计算方法，所述控制方程采用不可压缩粘性流体的连续方程和动量方程，所述连续方程为：
Figure RE-GDA0003166955680000021
式中：u、v、w分别为x、y、z方向上的流速分量；Ax、Ay、Az分别为x、y、z方向上可流动的面积分数；
所述动量方程为：
Figure RE-GDA0003166955680000031
Figure RE-GDA0003166955680000032
Figure RE-GDA0003166955680000033
式中：Gx、Gy、Gz分别为x、y、z方向的重力加速度，m/s2；fx、fy、fz分别为x、y、z方向的黏滞力；VF为可流动的体积分数；ρ为流体密度，kg/m3；p为作用在流体微元上的压力。
上述的水位波动计算方法，步骤二还包括对模型水位波处的网格进行加密。
上述的水位波动计算方法，所述湍流模型为k-ω、k-ε、RNG k-ε、 LES四种湍流模型中的一种或几种。
上述的水位波动计算方法，为了对湍流粘度进行修正，考虑有旋流动对湍流的影响以便于更好的处理瞬变流与弯曲程度较大的流动状态，所述湍流模型选择RNG k-ε模型，其湍动能k：
Figure RE-GDA0003166955680000034
其消耗率ε：
Figure RE-GDA0003166955680000035
式中：Gk表示平均速度梯度所引起的湍流动能产生项，Gb表示为浮升力引起的湍流动能产生项，YM表示为可压缩湍流动能流动脉动膨胀对总耗散率影响，αk、αs表示计算k、ε有效Prandtl数的倒数，其中模型常数C1ε＝1.42，C2ε＝1.68。
上述的水位波动计算方法，对尾墩脱落涡特性的分析包括对尾墩升力系数和斯特劳哈尔数的计算，其中升力系数计算采用：
Figure RE-GDA0003166955680000041
式中，Fl为尾墩所受的升力；ρ为流体密度；U为渡槽出口处平均流速；D为尾墩特征长度；
斯特劳哈尔数计算采用：
Figure RE-GDA0003166955680000042
式中，St即为斯特劳哈尔数，fst为尾涡脱落频率，U为渡槽出口处平均流速；D为尾墩特征长度。
上述的水位波动计算方法，将网格化后的模型按照结构化网格块进行划分，每个网格块相邻的边界设为对称边界；每个网格块的底部边界和左、右壁边界设为墙体边界；每个网格块的顶部边界设有对称边界。
本发明的有益效果：
1、本方法考虑某水利工程中线一期工程实际运行情况，采用计算流体动力学与现场实测数据反演相结合的方法，研究了该水利工程中线典型建筑物大流量输水情况下的水力特性，为工程大流量输水的安全调度运行提供技术支撑和理论依据，工程中线典型建筑物大流量输水的安全调度提供一定的指导，使该水利工程中线工程在保证安全运行的前提下，充分发挥工程效益。
2、本方法是基于Flow-3D大型数值模拟流体软件的一种计算方法，该软件能够准确，高效的对水工建筑物进行不同工况下的模拟分析，实现工程实际与数值模拟的有效结合。
3、本方法利用现场实测数据设置模型参数及初始条件，得出的数值仿真计算结果与实测数据基本一致，即确保了该方法的可行性及计算的准确性，为真实地模拟典型建筑物水面波动动态过程提供有力的保障。
4、分析本方法得出的水位波动影响的数值仿真计算结果，可对所计算的模型提出相应的解决措施来控制水位波动，使实际工程在保证安全运行的前提下，充分发挥工程效益。
5、本发明使用的计算流程物理概念清晰，计算过程简单，易于在Flow-3D软件中实现，便于处理和解决水工建筑物运行时出现的复杂的水位波动产生的一系列问题。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为白河倒虹吸-渠道仿真模型。
图3为白河倒虹吸-渠道模型六面体网格划分示意图。
图4为白河倒虹吸-渠道模型网格划分示意图。
图5为白河倒虹吸出口处流速变化云图。
图6为白河倒虹吸槽身段水深变化云图。
图7为白河倒虹吸管1出口处水深变化曲线图。
图8为白河倒虹吸管2出口处水深变化曲线图。
图9为白河倒虹吸管3出口处水深变化曲线图。
图10为白河倒虹吸管4出口处水深变化曲线图。
图11为白河倒虹吸出口闸室段尾墩D1升力系数时程曲线图。
图12为白河倒虹吸出口闸室段尾墩D2升力系数时程曲线图。
图13为白河倒虹吸出口闸室段尾墩D3升力系数时程曲线图。
图14为白河倒虹吸出口闸室段尾墩D1升力系数频谱图。
图15为白河倒虹吸出口闸室段尾墩D2升力系数频谱图。
图16为白河倒虹吸出口闸室段尾墩D3升力系数频谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：为了更好地对本发明的技术方案进行详细说明，本实施例以白河倒虹吸工程为例进行详细说明。
白河倒虹吸工程总长1337m，共分77节(节长约14.8m)，为两孔一联共4孔的混凝土管道，单孔管净尺寸6.7×6.7m。
白河倒虹吸工程横穿白河河底，工程利用渠道里水流自身的压力，从进口进入河底，再从出口出来，这样既保证了白河正常的输水、灌溉、泄洪要求，又保证了水质的要求。白河倒虹吸工程设计流量为 330m3/s，加大流量为400m3/s，退水闸设计退水流量165m3/s。工程主要建筑物由进口至出口依次为：进口渐变段、退水闸及过渡段、进口检修闸、倒虹吸管身、出口节制闸(检修闸)、出口渐变段。
对典型倒虹吸工程选取了白河倒虹吸工程的大流量输水工况进行数值模拟，白河倒虹吸在大流量输水期间，闸门敞泄运行，在白河倒虹吸与渠道衔接出口处会出现超常水位波动现象，不稳定水流增加了流量控制及运行管理难度。因此，本实施例对白河倒虹吸大流量输水过程中出现的水体流态变化、水位波动过程进行研究。方法流程图如图1所示。
一、建模
根据白河倒虹吸设计图纸在ANSYS有限元软件中建立白河倒虹吸三维数值仿真模型，模型如图2所示。本实施例选取白河倒虹吸- 渠道模型为管身段及出口段渐变段，主要原因有以下两点：①根据现场查勘，白河倒虹吸进口处水深变化平稳，未出现水体局部漩涡，回流等现象；但在白河出口闸室段及出口连接段都出现了水位大幅波动现象。②白河倒虹吸管身段长度大于1000m，工程正常运行条件下，倒虹吸管身内水流为恒定流，各断面水流特性基本一致；考虑到计算机性能及计算的经济性，本次计算仅选取白河倒虹吸出口部分进行建模。
模型X正方向选取为河道顺水流方向，Y方向与河道顺水流方向垂直，并选取垂直于左岸为正方向，Z方向与河道顺水流方向垂直，并选取向上为正方向。通过SolidWorks软件将所建立模型转换为 Flow-3D软件可以识别的STL格式，将其导入Flow-3D模型，然后利用Flow-3D流体计算软件进行模型的网格划分，利用Flow-3D软件对白河倒虹吸-渠道模型进行六面体网格划分，网格划分如图3所示。划分网格总数14848780个，其中流体网格总数10299321个，固体网格总数2099365个。
二、模型边界条件及初始条件设定
1、边界条件划分
Flow-3D软件中提供几种不同的边界条件，其中包括：
①对称边界条件(Symmetry boundaries)；
②墙体边界条件(Wall boundaries)；
③连续边界条件(Continuative boundaries)；
④周期边界条件(Periodic boundaries)；
⑤压力边界条件(Specified pressure boundaries)；
⑥速度边界条件(Specified velocity boundaries)；
⑦网格边界条件(Grid overlay boundaries)；
⑧自由出流边界条件(Outflow boundaries)；
⑨波动边界条件(Wave boundaries)；
⑩流量边界条件(Volumetric flow rate boundaries)。
Flow-3D软件将网格模块化后的物理模型通过笛卡尔三维坐标的形式表现出来，每个结构化网格块都可以根据坐标给定6个边界条件。由于本次白河倒虹吸数值仿真计算模型非规则结构，将白河倒虹吸划分为3个结构化网格块。每个网格块相邻的边界设置为对称边界 (Symmetry)；上游进口边界设定为流量入口边界(Volumetric flow rate)，流量值必须为正值，默认方向是进入网格内部；下游出口边界设定为速度出口边界(Specifiedvelocity)；3个网格块底部边界及左右壁边界设定为墙体边界(Wall)，其中Wall的壁面法向速度为零，使得在壁面处的切速度等于零，使得符合实际流速分布；顶部边界设置成对称边界(Symmetry)。模型边界条件设定如图4所示。
2、模型初始条件设定
本次白河倒虹吸模型计算如果模拟管身及渠道从无水状态到完全充水过程，需要大量的计算时间，并且计算结果中的水体震荡无法在短时间内消除。为了提高计算效率，本次数值仿真计算在管身段及出口渠道段设定初始水体，以减少计算时间，出口渠道段初始水体高度的设定应根据下游输水水位，通过插值的方法计算得到各断面水位。
据Flow-3D软件分别设定模型的初始条件(初始水体高度)、输出条件和数值计算条件。
其中输出条件是根据数据计算需求对软件输出的所需数据的类型、间隔等进行设置；数值计算条件则是需要根据现场实际数据进行设定的模型计算参数。
设置流体性质为单相不可压缩液体(One fluid，Free surface or sharp)，计算单位选SI国际单位制，流体种类为20℃的水，重力沿Z 轴负向，重力加速度-9.81m/s2。初始时间步长为0.002，最小时间步长为10-7。完成模型建立后，在数值计算区(Simulate)对数值模型进行预处理，如果出现错误提示则检查参数设置，反之则运行模拟。
对流固界面进行计算之前需要根据水体与建筑物之间的相互作用力建立控制方程。本次数值模型计算是不可压缩粘性流体的运动，涉及到的控制方程有Navier-Stokes(N-S)方程，包括连续性方程、动量方程。
(1)连续性方程。连续方程的表达式：
Figure RE-GDA0003166955680000101
式中：u、v、w分别为x、y、z方向上的流速分量；Ax、Ay、Az 分别为x、y、z方向上可流动的面积分数。
(2)动量方程。动量方程的表达式：
Figure RE-GDA0003166955680000102
Figure RE-GDA0003166955680000103
Figure RE-GDA0003166955680000104
式中：Gx、Gy、Gz分别为x、y、z方向的重力加速度，m/s2； fx、fy、fz分别为x、y、z方向的黏滞力；VF为可流动的体积分数；ρ为流体密度，kg/m3；p为作用在流体微元上的压力。
三、大流量输水工况数值仿真模拟分析
雷诺数是粘性流体运动中最基本的一个无量纲参数。对于模型的数值仿真模拟分析时，首先要计算模型不同工况下的雷诺数，确认所分析的问题是否符合粘性流体运动特性。
白河倒虹吸大流量输水工况下，输水流量为315m3/s，倒虹吸出口闸室段特征速度U为1.16m/s，水力半径R为5.44m，运动粘度v 为1.003×106m2/s，根据雷诺数公式计算得到渡槽进口处水流雷诺数 Re为6.31×106；
Figure RE-GDA0003166955680000105
式中：ρ为流体密度，U和L分别表示流场特征速度和特征长度，对于明渠及天然河道，特征长度L一般取为过水断面的水力半径R，μ和v分别表示流体的动力学粘度系数和运动学粘性系数。
然后根据明渠及天然河道临界雷诺数可判断白河倒虹吸大流量输水工况下出口闸室段水流处于湍流状态。
分析模型的本构率定，通过与现场实测数据进行对比，从k-ω、k-ε、RNG k-ε、LES四种湍流模型中选取模拟效果更好的模型。其中：
(1)k-ε模型：k-ε两方程湍流模型的数学方程包括K方程(湍动能方程)和ε方程(湍动能耗散率方程)，适用于雷诺数大的区域，尤其适用于压力梯度较小的自由剪切层流，是目前工程应用最普遍的湍流模型，但该模型对于强旋流、弯曲边界层、无约束流等模拟上表现不佳。
湍动能K的输运方程表达式如下：
Figure RE-GDA0003166955680000111
式中：PT为湍动能生成项、GT为浮力端、
Figure RE-GDA0003166955680000112
为湍动能扩散项、εT为湍动能的耗散项。
湍动能耗散率ε的输运方程如下：
Figure RE-GDA0003166955680000113
式中，CDISl，CDIS2，CDIS3是自定义系数，模型中默认取值分别为1.44，1.92和0.2。
(2)RNG k-ε模型
旋流在湍流中占有重要地位，标准k-ε模型在处理弯曲程度较大的流体中表现不佳，为了弥补这一缺陷，RNG k-ε模型在此基础上通过对湍动黏度进行修正，从而可以更好地处理瞬变流与弯曲程度较大的流动状态，RNG k-ε模型的控制方程与标准k-ε模型类似，两者的系数取值不同，通常情况RNG k-ε模型应用范围更广。RNG k-ε模型中的k方程和ε方程与标准k-ε模型中的k方程和ε方程类似，其扩散方程ε可表述如下：
对于湍动能k：
Figure RE-GDA0003166955680000121
对于消耗率ε：
Figure RE-GDA0003166955680000122
式中：Gk表示平均速度梯度所引起的湍流动能产生项，Gb表示为浮升力引起的湍流动能产生项，YM表示为可压缩湍流动能流动脉动膨胀对总耗散率影响，αk、αs表示计算k、ε有效Prandtl数的倒数，其中模型常数C1ε＝1.42，C2ε＝1.68。RNG模型可以考虑有旋流动对湍流的影响，因此在漩涡模拟仿真方面，该模型比标准模型在湍流影响上有更好的反应。
(3)k-ω模型：
k-ω模型是基于湍动能k和比耗散率ω(ε/k)的模型。在某些流动条件下，k-ω模型优于标准k-ε模型和RNG k-ε，如射流这种靠近壁边界和具有流动压力梯度的流动。k-ω模型的方程表达式为：
Figure RE-GDA0003166955680000131
式中，β*＝0.09，扩散项的RMTKE为1/2；
比耗散率ω的输运方程如下：
Figure RE-GDA0003166955680000132
式中：α＝13/25、RMDTKE＝1/2、β＝9/125、ε＝β*kω、 vT＝k/ω。
(4)大涡模型
大涡模拟(Large Eddy Simulation，简称LES)是介于直接数值模拟(DNS)与Reynolds平均法(RANS)之间的一种湍流数值模拟方法。在数值模拟湍流运动时，只计算比网格尺寸大的漩涡，通过纳维斯托克斯方程直接算出来，小尺度涡则可以用一个模型来表现出来，仅起到耗散作用，它们几乎是各项同性的。因此LES方法旨在用非稳态的N-S方程模拟大尺度涡，但不直接计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似模型来考虑，这种影响可以用一个湍流粘性系数来描述。
大涡数值模拟的基本思想是直接计算大尺度脉动，用近似模型计算小尺度脉动，实现大涡数值模拟最重要的就是将直接大尺度脉动和小尺度脉动分离。
在大涡模拟方法中，首先建立一个滤波函数，将流体的瞬态变量分为两个部分，即大尺度的平均分量和小尺度分量，将纳维斯托克斯方程作过滤，得到如下的方程：
Figure RE-GDA0003166955680000141
Figure RE-GDA0003166955680000142
其中，
Figure RE-GDA0003166955680000143
Figure RE-GDA0003166955680000144
称为亚格子应力(SGS)，代表小尺度涡对求解运动方程的影响，是过滤掉的小尺度脉动和可解尺度湍流间的动量输运。由于无法同时求出
Figure RE-GDA0003166955680000145
和
Figure RE-GDA0003166955680000146
必须构造亚格子应力的封闭模式。
比较常用的模式是采用涡粘性概念假设，即：
Figure RE-GDA0003166955680000147
式中，亚格子涡粘系数
Figure RE-GDA0003166955680000148
Δ是过滤尺度，CsΔ相当于混合长度，Cs称为Smagorinsky常数。
经过计算分析，本实施例在计算白河倒虹吸大流量输水工况时，湍流模型选取RNGk-ε模型，在工程实际运行过程中，白河倒虹吸输水流量315m3/s时为大流量输水工况。
根据现场实测数据，此工况下进口水位为140.55m，出口处水位为140.60m。
在Flow-3D软件中对计算模型的边界条件进行设置，输入输水工况基本参数，进行数值仿真模型分析，计算模型的流速、水深和水位波动；其中模型进口设置为流量进口边界，流量大小设置为315m3/s，模型出口设置为流速出口边界，流速大小为1.219m/s，水流粘滞系数设置为0.001N·s/m2，糙率设置为0.014，计算时间设置为800s。
结果分析如下。
1、流速云图结果分析
白河倒虹吸大流量输水工况下管身段流速变化较为均匀，但在白河倒虹吸出口闸室段及渐变段流速发生较大变化，为了便于观测水体流态变化，流速色带设置为0-2.5m/s，流态变化过程如图5所示，选取流速变化云图共选取7个时刻。
从流速分布图中可以看出：在白河倒虹吸出口闸室段由于过流断面增大，流速比管身段有所减小，出口闸室段流速出现大小交替变化现象；尾墩后出现无规律的漩涡，且各尾墩处漩涡相互影响，导致出口渐变段两侧边壁流速大小出现波动；200s时流速最大出现在出口闸室段，流速最大值达到2.5m/s。
2、水深分布结果分析
(1)水深云图分析
白河倒虹吸大流量输水工况下管身段水深无变化，但在白河倒虹吸出口闸室段会出现水位波动现象，为了便于观测水位变化，水深色带设置为0～8m，流态变化过程如图6所示，与流速云图相对应取7 个时刻水深云图进行分析。
由图可知：在白河倒虹吸出口闸室段出现了较明显的水位波动现象，从400前水深云图中可以看出，中间两槽和边槽呈现交替波动，中槽为波峰时，边槽为波谷，且中间两槽波动幅值大于边槽；从400 后水深云图中可以看出，左边两槽和右边两槽呈对称波动，左一槽为波峰时，左二槽为波谷，且中间两槽波动幅值大于边槽，最大水深达到8m。
(2)水位波动时程图分析
白河倒虹吸管身段进口处水位左右槽水位波动时程曲线图如图 7-10所示，为了便于观测，时程曲线取300-800s时间段。
从水位波动时程曲线图中可知：白河倒虹吸管1出口处水位波动幅值为0.40m；管2出口处水位波动幅值为0.24m；管3出口处水位波动幅值为0.25m；管4出口处水位波动幅值为0.21m。
3、尾墩脱落涡特性分析
(1)升力系数
大流量输水工况下，白河倒虹吸闸室段出口处平均流速U为 1.16m/s，出口闸室段尾墩从左到右依次编号为D1、D2、D3，各尾墩宽度分别为2m、4m、2m。根据升力系数计算公式得到各尾墩的升力系数，
Figure RE-GDA0003166955680000161
式中，Fl为尾墩所受的升力；ρ为流体密度；U为渡槽出口处平均流速；D为尾墩特征长度；
得到各尾墩升力系数时程曲线如图11-13所示，计算所得的结果是流动发展稳定时提取出来的。
由图可知：升力系数Cl呈周期性变化，曲线以0点为中心上下波动，但其振幅随时间不断变化，由于各尾墩相互影响导致升力系数曲线幅值波动变化；尾墩D1最大幅值为0.51；尾墩D2最大幅值为 0.10；尾墩D3最大幅值为0.28。
(2)斯特劳哈尔数
进一步对升力系数Cl进行快速傅里叶变换(FFT)得到其频谱分析如图14-16所示。
由图可得：尾墩D1涡旋脱落频率fst1为0.206Hz；尾墩D2涡旋脱落频率fst2为0.061Hz；尾墩D3涡旋脱落频率fst3为0.205Hz。白河倒虹吸出口闸室处平均流速U为1.16m/s，根据斯特劳哈尔数公式，
Figure RE-GDA0003166955680000171
式中，St即为斯特劳哈尔数，fst为尾涡脱落频率，U为渡槽出口处平均流速；D为尾墩特征长度。
计算得到尾墩D1斯特劳哈尔数St为0.355；尾墩D2斯特劳哈尔数St为0.210；尾墩D3斯特劳哈尔数St为0.353。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围内所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水位波动计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、在ANSYS有限元软件中根据计算规模和实际渠道顺直段的长度以及模型的上、下游渠道段的长度建立固体域模型；
步骤二、利用SolidWorks软件将所建立的模型转换为Flow-3D软件可以识别的STL格式，并导入Flow-3D软件，在固体域模型基础上添加流体域模型，然后利用Flow-3D流体计算软件进行固体域模型和流体域模型的网格划分；
步骤三、对网格质量进行检查，若网格质量不合格对网格重新进行划分；若网格质量合格，设置模型的边界条件和初始条件；
步骤四、建立不可压缩粘性流体的连续方程和动量方程作为控制方程研究流体与固体之间的相互作用力来描述水体运动；分析模型的本构率定，与现场实测数据进行对比选取合适的湍流模型；
步骤五、在Flow-3D软件中输入输水工况的基本参数，计算模型不同工况的雷诺数，采用选取的湍流模型进行数值仿真模拟分析，对模型进行流速、水深、水位波动的计算以及对尾墩脱落涡特性的分析。
2.根据权利要求1所述的水位波动计算方法，其特征在于：所述控制方程采用不可压缩粘性流体的连续方程和动量方程，所述连续方程为：
Figure FDA0003007856590000011
式中：u、v、w分别为x、y、z方向上的流速分量；Ax、Ay、Az分别为x、y、z方向上可流动的面积分数；
所述动量方程为：
Figure FDA0003007856590000021
Figure FDA0003007856590000022
Figure FDA0003007856590000023
式中：Gx、Gy、Gz分别为x、y、z方向的重力加速度，m/s2；fx、fy、fz分别为x、y、z方向的黏滞力；VF为可流动的体积分数；ρ为流体密度，kg/m3；p为作用在流体微元上的压力。
3.根据权利要求1所述的水位波动计算方法，其特征在于：步骤二还包括对模型水位波处的网格进行加密。
4.根据权利要求1所述的水位波动计算方法，其特征在于：所述湍流模型为k-ω、k-ε、RNG k-ε、LES四种湍流模型中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的水位波动计算方法，其特征在于：为了对湍流粘度进行修正，考虑有旋流动对湍流的影响以便于更好的处理瞬变流与弯曲程度较大的流动状态，所述湍流模型选择RNG k-ε模型，其湍动能k：
Figure FDA0003007856590000024
其消耗率ε：
Figure FDA0003007856590000025
式中：Gk表示平均速度梯度所引起的湍流动能产生项，Gb表示为浮升力引起的湍流动能产生项，YM表示为可压缩湍流动能流动脉动膨胀对总耗散率影响，αk、αs表示计算k、ε有效Prandtl数的倒数，其中模型常数C1ε＝1.42，C2ε＝1.68。
6.根据权利要求1所述的水位波动计算方法，其特征在于：对尾墩脱落涡特性的分析包括对尾墩升力系数和斯特劳哈尔数的计算，其中升力系数计算采用
Figure FDA0003007856590000031
式中，Fl为尾墩所受的升力；ρ为流体密度；U为渡槽出口处平均流速；D为尾墩特征长度；
斯特劳哈尔数计算采用
Figure FDA0003007856590000032
式中，St即为斯特劳哈尔数，fst为尾涡脱落频率，U为渡槽出口处平均流速；D为尾墩特征长度。
7.根据权利要求1所述的水位波动计算方法，其特征在于：将网格化后的模型按照结构化网格块进行划分，每个网格块相邻的边界设为对称边界；每个网格块的底部边界和左、右壁边界设为墙体边界；每个网格块的顶部边界设有对称边界。
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