CN116204956A - 竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提出了一种竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法,包括:获取初始鱼道池室和隔板的结构并构建三维数值模型;对三维数值模型进行网格处理并初始化边界条件;通过改变第一参数数值进行流体模拟,得到该结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;通过改变结构和边界条件进行流体模拟,得到不同结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;构建多个物理模型,通过物理模型模拟验证并更新第一参数和第二参数的复合关系;通过物理模型进行放流实验,得到过流目标的上溯特性,并根据上溯特性对三维数值模型进行迭代优化,直至确定最优鱼道池室隔板结构和边界条件。本申请基于数值计算和物理模型相结合,能够有效缩减设计周期以及成本。
Description
技术领域
本申请涉及生态水力学、工程学技术领域,尤其涉及一种竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法和装置。
背景技术
近年来,随着国民对生态环境重视程度与日俱增,工程环境评价已经成为了一个工程合格与否的关键性指标。鱼道保证了河流在空间上的连续性,对众多水生生物的迁徙、基因交流以及能量传递等起到了不可代替的作用,被公认为是补偿河流机制的重要手段。竖缝式鱼道由于其对上下游水位适应能力强,被广泛应用于各种有过鱼要求的水利枢纽当中,且竖缝式鱼道单级池室的消能效果明显强于其他形式的鱼道。与升鱼机相比,竖缝式鱼道的运行维护难度以及运行维护成本较低;与生态型鱼道相比,竖缝式鱼道能够有效节约布置场地,降低工程投资;与人工网布过坝方式相比,对鱼类的扰动较小,更加符合生态学要求。竖缝式鱼道单级池室消能效果明显强于其他种类形式的鱼道,竖缝式鱼道可以采用小长宽比池室结构,并且通过调整隔板种类以及尺寸使之适应上溯鱼类对水流结构的要求。故竖缝式鱼道可以适应复杂地区,特别是给过鱼设施布置场地有限的水利枢纽工程,比如西部地区的河流上游段水利枢纽。因此,如何高效的设计适应河流条件的竖缝式鱼道池室是目前亟待解决的问题。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此,本申请的第一个目的在于提出一种竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法,解决了现有方法无法高效、低成本的设计适应各种复杂河流条件的竖缝式鱼道的技术问题,通过数值计算的方式,探究各细部结构对池室内水流流态的影响,并以此绘制参数(参数复合)与水流流态的相关关系进行物理模型试验,有效缩减了设计周期以及成本,提高了效率。
本申请的第二个目的在于提出一种竖缝式鱼道池室隔板结构优化装置。
本申请的第三个目的在于提出一种计算机设备。
本申请的第四个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
为达上述目的,本申请第一方面实施例提出了一种竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法,包括:获取初始鱼道池室和隔板的结构,并根据鱼道池室和隔板的结构,构建鱼道池室的三维数值模型;对三维数值模型进行网格处理,并初始化三维数值模型的边界条件;通过改变第一参数数值分别对三维数值模型进行流体模拟,得到不同第一参数对应的第二参数的数值计算结果,并根据数值计算结果得到该结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;通过改变三维数值模型的结构和边界条件进行流体模拟,得到不同结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;分别根据不同结构和边界条件构建多个物理模型,通过物理模型模拟验证并更新第一参数和第二参数的复合关系;根据更新后第一参数和第二参数的复合关系通过物理模型进行放流实验,得到过流目标的上溯特性,并根据上溯特性对三维数值模型进行迭代优化,直至确定最优鱼道池室隔板结构和边界条件。
可选地,在本申请的一个实施例中,第一参数至少包括流速、水深、压强中的一种;第二参数至少包括湍动能、湍动能耗散率、水深、流速、压强中的一种。
可选地,在本申请的一个实施例中,边界条件包括初始水深、边界性质、流体介质性质,对三维数值模型进行网格处理,并初始化三维数值模型的边界条件,包括:
根据计算要求对网格进行划分,其中,计算要求包括相邻网格的边长最大比值小于预设阈值、相邻网格的边线重合、最大的网格边长小于固体边界厚度;
将初始水深初始化为符合池室结构要求的水深,并初始化边界性质和流体介质性质;
其中,对于三维数值模型的不规则结构,通过构建实体模型初始化初始水深。
可选地,在本申请的一个实施例中,通过改变第一参数数值分别对三维数值模型进行流体模拟,得到不同第一参数对应的第二参数的数值计算结果,包括:
分别根据不同的第一参数数值利用RNG k-ε双方程模型对三维数值模型进行流体模拟,并计算得到不同第一参数对应的第二参数的数值计算结果;
其中,RNG k-ε双方程模型表示为:
其中,ρ表示流体介质密度,t表示时间,ui表示为i时刻的时均速度,μ表示运动粘度,μt表示湍流运动黏性系数,k表示湍动能,ε表示湍动能耗散率,表示ε方程的常数,αk、αε分别为k、ε的prandtl数,xi、xj表示二阶张量,Gk表示平均速度梯度所引起的湍动能的产生项。
可选地,在本申请的一个实施例中,分别根据不同结构和边界条件构建多个物理模型,通过物理模型模拟验证并更新第一参数和第二参数的复合关系,包括:
分别根据不同结构和边界条件构建多个物理模型;
分别根据第一参数和第二参数的复合关系通过多个物理模型模拟对应的池室水流特性,得到第一参数和第二参数的对应关系;
对第一参数和第二参数的复合关系和模拟得到的对应关系进行对比分析,并根据分析结果反向指导三维数值模型的数值计算,以更新第一参数和第二参数的复合关系。
可选地,在本申请的一个实施例中,根据更新后第一参数和第二参数的复合关系通过物理模型进行放流实验,得到过流目标的上溯特性,并根据上溯特性对三维数值模型进行迭代优化,直至确定最优鱼道池室隔板结构和边界条件,包括:
根据更新后第一参数和第二参数的复合关系通过物理模型模拟对应的池室水流特性进行过流目标的放流试验,对过流目标的上溯情况进行记录分析,得到过流目标的上溯特性;
根据过流目标的上溯特性通过不同结构和边界条件的物理模型模拟过流目标的放流试验,并根据实验结果对三维数值模型进行迭代优化,直至确定最优鱼道池室隔板结构和边界条件。
为达上述目的,本申请第二方面实施例提出了一种竖缝式鱼道池室隔板结构优化装置,包括:
获取模块,用于获取初始鱼道池室和隔板的结构,并根据鱼道池室和隔板的结构,构建鱼道池室的三维数值模型;
处理模块,用于对三维数值模型进行网格处理,并初始化三维数值模型的边界条件;
第一模拟模块,用于通过改变第一参数数值分别对三维数值模型进行流体模拟,得到不同第一参数对应的第二参数的数值计算结果,并根据数值计算结果得到该结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;
第二模拟模块,用于通过改变三维数值模型的结构和边界条件进行流体模拟,得到不同结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;
构建模块,用于分别根据不同结构和边界条件构建多个物理模型,通过物理模型模拟验证并更新第一参数和第二参数的复合关系;
优化模块,用于根据更新后第一参数和第二参数的复合关系通过物理模型进行放流实验,得到过流目标的上溯特性,并根据上溯特性对三维数值模型进行迭代优化,直至确定最优鱼道池室隔板结构和边界条件。
可选地,在本申请的一个实施例中,处理模块,具体用于:
根据计算要求对网格进行划分,其中,计算要求包括相邻网格的边长最大比值小于预设阈值、相邻网格的边线重合、最大的网格边长小于固体边界厚度;
将初始水深初始化为符合池室结构要求的水深,并初始化边界性质和流体介质性质;
其中,对于三维数值模型的不规则结构,通过构建实体模型初始化初始水深。
为达上述目的,本申请第三方面实施例提出了一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,处理器执行计算机程序时,实现上述施例所述的竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法。
为了实现上述目的,本申请第四方面实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质,当所述存储介质中的指令由处理器被执行时,能够执行一种竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法。
本申请实施例的竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法、装置、计算机设备和非临时性计算机可读存储介质,解决了现有方法无法高效、低成本的设计适应各种复杂河流条件的竖缝式鱼道的技术问题,通过数值计算的方式,探究各细部结构对池室内水流流态的影响,并以此绘制参数(参数复合)与水流流态的相关关系进行物理模型试验,有效缩减了设计周期以及成本,提高了效率。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为本申请实施例一所提供的一种竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法的流程示意图;
图2为本申请实施例的竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法的另一个流程示意图;
图3为本申请实施例的竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法的初步选定的池室结构示例图;
图4为本申请实施例的竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法的采用Solid Works所建立的三维数值模型示例图;
图5为本申请实施例的竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法的堰流-潜孔式隔板结构图;
图6为本申请实施例的竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法的不同形式隔板所取的水平切面位置;
图7为本申请实施例二所提供的一种竖缝式鱼道池室隔板结构优化装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例的燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法和装置。
图1为本申请实施例一所提供的一种竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法的流程示意图。
如图1所示,该竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法包括以下步骤:
步骤101,获取初始鱼道池室和隔板的结构,并根据鱼道池室和隔板的结构,构建鱼道池室的三维数值模型;
步骤102,对三维数值模型进行网格处理,并初始化三维数值模型的边界条件;
步骤103,通过改变第一参数数值分别对三维数值模型进行流体模拟,得到不同第一参数对应的第二参数的数值计算结果,并根据数值计算结果得到该结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;
步骤104,通过改变三维数值模型的结构和边界条件进行流体模拟,得到不同结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;
步骤105,分别根据不同结构和边界条件构建多个物理模型,通过物理模型模拟验证并更新第一参数和第二参数的复合关系;
步骤106,根据更新后第一参数和第二参数的复合关系通过物理模型进行放流实验,得到过流目标的上溯特性,并根据上溯特性对三维数值模型进行迭代优化,直至确定最优鱼道池室隔板结构和边界条件。
本申请实施例的竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法,通过获取初始鱼道池室和隔板的结构,并根据鱼道池室和隔板的结构,构建鱼道池室的三维数值模型;对三维数值模型进行网格处理,并初始化三维数值模型的边界条件;通过改变第一参数数值分别对三维数值模型进行流体模拟,得到不同第一参数对应的第二参数的数值计算结果,并根据数值计算结果得到该结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;通过改变三维数值模型的结构和边界条件进行流体模拟,得到不同结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;分别根据不同结构和边界条件构建多个物理模型,通过物理模型模拟验证并更新第一参数和第二参数的复合关系;根据更新后第一参数和第二参数的复合关系通过物理模型进行放流实验,得到过流目标的上溯特性,并根据上溯特性对三维数值模型进行迭代优化,直至确定最优鱼道池室隔板结构和边界条件。由此,能够解决现有方法无法高效、低成本的设计适应各种复杂河流条件的竖缝式鱼道的技术问题,通过数值计算的方式,探究各细部结构对池室内水流流态的影响,并以此绘制参数(参数复合)与水流流态的相关关系进行物理模型试验,有效缩减了设计周期以及成本,提高了效率。
本申请提供了一种基于数值模拟方法设计竖缝式鱼道的方法,基于数值模拟计算用以简化设计程序,控制试验成本,最后根据物理模型试验用以验证池室结构的可行性。如图2所示,本申请采用Solid Works进行三维模型构建,再将构建好的模型按照所需比例导入到flow-3d进行网格处理以及边界条件设置,最后将各条件下的计算结果进行处理,以特定的参数(本方法采用流速、湍动能以及流态进行控制)峰值以及分布情况,作为池室结构优化的依据。根据各边界条件与池室水流结构的大致影响关系,进行复合分析,最终锁定池室结构的大体样式以及基本尺寸,最后进行物理模型结合放鱼试验,来探究适合目标鱼类上溯的最佳池室体型结构。
本申请主要包括三维数值模型的构建、网格处理、边界条件的设置、计算结果的处理方法、参数复合关系的选择以及模型结构的再优化等。
进一步地,在本申请实施例中,第一参数至少包括流速、水深、压强中的一种;第二参数至少包括湍动能、湍动能耗散率、水深、流速、压强中的一种。
本申请实施例中,通过不同的第一参数对应的第二参数的数值计算结果,得到第一参数和第二参数间的复合关系,并在物理实验中,通过改变第一参数复合对应的第二参数,从而模拟池室的水流特性。
由于天然河流中存在多种生物,不同生物受基因、个体特性的影响对上溯的水流条件适应能力也有所差别,选择合适的过流对象能够有针对性的设计池室结构,提高过流效率。在确定主要过流目标后,还要根据现阶段的研究内容进行梳理整合,并结合现有过鱼设施的运行状况初步确定鱼道基本类型以及尺寸,如图3所示。
本申请根据初步确定的鱼道基本类型以及尺寸采用Solid Works软件构建数值模型,在构建过程中要注意各固体边界的实际厚度,以及要预留一定的水流缓解空间,一般为单级池室长度的5-10倍,以方便后续的数值计算,其中,采用Solid Works所建立的三维数值模型示例图如图4所示。并且在此过程中要指定所构建模型的初始坐标以及三维坐标的相互关系,以方便在网格处理过程中快速高效的进行网格以及参数设置。同时保留原有的符合Solid Works的原格式文件,以方便后续池室的结构优化设计。
由于后续数值计算涉及到网格处理,合理的固体边界厚度能够使得固体边界不发生“透水”现象,并且能够优化网格数量使之能够避免“龙格现象”,一般数值模型厚度选择在1-2倍网格单边长度。预留一定的水流缓解空间是为了在数值计算初始时刻,水流冲击网格边界造成计算结果失真。
进一步地,在本申请实施例中,边界条件包括初始水深、边界性质、流体介质性质,对三维数值模型进行网格处理,并初始化三维数值模型的边界条件,包括:
根据计算要求对网格进行划分,其中,计算要求包括相邻网格的边长最大比值小于预设阈值、相邻网格的边线重合、最大的网格边长小于固体边界厚度;
将初始水深初始化为符合池室结构要求的水深,并初始化边界性质和流体介质性质;
其中,对于三维数值模型的不规则结构,通过构建实体模型初始化初始水深。
flow-3d计算软件中要求相邻网格单边比值最大比例不超过3,且相邻网格的边界线要完全重合,避免发生错误。
鱼道再投入运行的过程中,是有一定运行水深要求的,故在初始边界条件的设置过程中,要设置符合池室结构要求的初始水深,避免下泄水流直接冲击隔板。其中,一旦涉及到不规则结构的初始水深设置时(如要求部分段结构为有压结构),可以选择在SolidWorks构建一个实体模型,再到flow-3d数值计算软件中,选择初始水深设置并导入该实体模型作为初始水深条件。
进一步地,在本申请实施例中,通过改变第一参数数值分别对三维数值模型进行流体模拟,得到不同第一参数对应的第二参数的数值计算结果,包括:
分别根据不同的第一参数数值利用RNG k-ε双方程模型对三维数值模型进行流体模拟,并计算得到不同第一参数对应的第二参数的数值计算结果;
其中,RNG k-ε双方程模型表示为:
其中,ρ表示流体介质密度,t表示时间,ui表示为i时刻的时均速度,μ表示运动粘度,μt表示湍流运动黏性系数,k表示湍动能,ε表示湍动能耗散率,表示ε方程的常数,αk、αε分别为k、ε的prandtl数,xi、xj表示二阶张量,Gk表示平均速度梯度所引起的湍动能的产生项。
不同鱼类在上溯过程中,对池室内水流的各参数敏感程度也完全不同,且各参数对上溯鱼类的影响也有所差别,选择合理的控制参数可以极大的简化设计过程,并且能够有针对性的设计后续的物理模型试验。
本申请可以通过输入初始平均水深作为第一参数,计算过程是将池室内各点数据通过网格差分到各节点上,再进行迭代计算模拟流体进程。
基于质量守恒方程与N-S方程的基础之上,本申请选择湍流模型中的RNG k-ε双方程模型,这是由于该方法考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况,能够较好的对池室内的大曲率流线进行细致的模拟,并且在不考虑瞬时流场变化的情况下,RNG k-ε模型更加适合鱼道数值计算的要求。RNG k-ε模型控制方程如下:
其中,ρ表示流体介质密度,t表示时间,ui表示为i时刻的时均速度,μ表示运动粘度,μt表示湍流运动黏性系数,k表示湍动能,ε表示湍动能耗散率,表示ε方程的常数,αk、αε分别为k、ε的prandtl数,xi、xj表示二阶张量,Gk表示为平均速度梯度所引起的湍动能的产生项,η、η0表示计算经验系数,β表示修正系数取0.012,Eij表示时均应变率。
不同结构的池室水流特征,在进行横向比较时要有一定的可比性,而三维的数值图像固然能够更好的表达整体的水流结构,但局部区域的细化图,平面切片图更具有参考性,其中,切面信息是根据输出参数即第二参数确定的,可以根据切面信息得到压强、湍动能、流速、湍动能耗散率、水深等第二参数。
在选择水平断面切面时,要选择具有代表性的平面,例如当隔板为潜孔形式隔板时,水平切面的位置分别选择在潜孔中心位置所在的平面、距离潜孔上下边缘各10cm处。当隔板形式有变化时,在重新进行水平切面的选择。
为了能够详尽的了解各水深下吃室内水流结构,在基于三维池室水流结构的基础之上,同时对池室内水体沿Z轴方向进行切片处理。为了适应flow-sight不能沿坡度方向进行切片处理,只能进行水平切面处理。故在选择切面位置时,可以大体计算吃室内水流的状态(急流、缓流还是临界流),若是急流则水平切面的位置可以选在略微低于该级池室上下边缘水深的平均值,反之亦然。
为了能够使切面信息能够有效代表该级池室的水流特性,采用平均水深以及流态判的方式确定切片位置的确定,判别公式如下:
h’=0.5×(H1+H2)
其中,h’为临界流下该级池室几何中心处水平切面距离底板的高度;H1、H2分别为该级池室来流侧隔板的下边缘以及出流侧上边缘水深。
水流状态判别公式如下:
其中,Fr为弗劳德数;v为池室内几何中心处的水流流速;gh分别为重力加速度、池室内几何中心处水深。
当计算结果Fr大于1时,证明该级池室的水流呈现出急流状态,此时该级池室几何中心处水平切面距离底板的高度低于h’,反之亦然。
池室内水流各参数的变化在一定范围内呈现明显的相关性,可以利用该特性进行简化池室结构的设计。如流速和湍动能、湍动能耗散率等参数就具有明显的相关性,在进行后续物理模型试验过程中,可以利用该特性简化参数的测量工作。
在利用数值模拟分析出基本的鱼道类型以及大体几何尺寸后,开始绘制各参数独立以及相互复合对池室水流结构影响的特性参数,以供后续的隔板细部优化。
本申请实施例中,根据数值计算结果进行复合分析,得到三维数值模型在该结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系,其中,根据数值计算结果进行复合分析要根据目标区域的分布特点,来选择基本的复合参数,再根据各参数的占比进行区域合成,在与目标区域的分布进行比对。
进一步地,在本申请实施例中,分别根据不同结构和边界条件构建多个物理模型,通过物理模型模拟验证并更新第一参数和第二参数的复合关系,包括:
分别根据不同结构和边界条件构建多个物理模型;
分别根据第一参数和第二参数的复合关系通过多个物理模型模拟对应的池室水流特性,得到第一参数和第二参数的对应关系;
对第一参数和第二参数的复合关系和模拟得到的对应关系进行对比分析,并根据分析结果反向指导三维数值模型的数值计算,以更新第一参数和第二参数的复合关系。
根据现有资料进行物理模型的构建,监测池室内水体的特性参数,并于数值计算结果进行对比分析,将分析结果反向指导数值计算。
如当前计算模型已经设置网格,且网格质量良好,在后续池室结构细部优化过程中,可以直接进行数值模型的替换,而不需要再一次设置网格,以节约计算资源。
进一步地,在本申请实施例中,根据更新后第一参数和第二参数的复合关系通过物理模型进行放流实验,得到过流目标的上溯特性,并根据上溯特性对三维数值模型进行迭代优化,直至确定最优鱼道池室隔板结构和边界条件,包括:
根据更新后第一参数和第二参数的复合关系通过物理模型模拟对应的池室水流特性进行过流目标的放流试验,对过流目标的上溯情况进行记录分析,得到过流目标的上溯特性;
根据过流目标的上溯特性通过不同结构和边界条件的物理模型模拟过流目标的放流试验,并根据实验结果对三维数值模型进行迭代优化,直至确定最优鱼道池室隔板结构和边界条件。
本申请进行过流目标的放流试验,将过流目标的上溯情况(路径、时间等)进行记录分析,再次进行结构修正。
上溯路径的优劣很大程度反映在上溯路径的选择以及上溯时间上,根据鱼类上溯路径进行统计误差分析,得出该边界条件下的鱼类上溯路径区域,在对该区域的参数分布进行分析(可能是单一参数敏感区也可能是多参数复合分布结果),在通过数值计算与物模进行结构的优化。
本申请提供了一种基于数值计算和物理模型相结合的新型设计方法,具体为可以有效缩减设计周期以及成本的竖缝式鱼道设计方法。本申请的主要流程包括主要过流对象的选择、基本过鱼鱼道形式与尺寸的确定、优化控制参数的选择、三维数值模型的构建、模型导入数值计算软件、网格处理、边界条件的设置、计算结果的处理方法、控制参数与池室隔板结构的影响关系、参数复合关系的选择、最终池室结构以及边界条件的确定、物理型的构建以及放鱼试验、试验结果的处理以及模型结构的再优化。
下面本申请以潜孔-堰流式隔板形式为例进行详细介绍,其中,堰流-潜孔式隔板结构图中的相邻隔板的位置关系、以及隔板、凹口堰、潜孔、竖缝与导板的位置关系如图5所示。
利用Solid Works将初步拟定的鱼道构建成三维数值模型。注意在构建模型的过程中,注意固体边界的厚度,以及整个模型的初始坐标和与坐标轴的位置关系,若所构建的模型坐标关系与后续的设置有冲突,可以选择将该模型文件另存为“*.x_t”格式文件,进行坐标的转化。
在“Model Setup”中“Meshing&Geometry”界面,将构建好的数值模型导入flow-3d流体计算软件中,在该过程中要注意整个数值模型的尺寸变化,由于两个软件并不能直接互通,需要将Solid Works所构建的数值模型导出为“.STL”格式。再将该格式文件导入到flow-3d软件中计算,在导入过程中设置对应的尺寸比例。
在“Model Setup”中“Meshing&Geometry”中界面,根据后续物理模型实验的相关情况,选择固体边界的材质(有机玻璃、混凝土)并设置相应的摩擦系数等。这样可以有效避免数值计算结果与物理模型结果的换算。
在“Model Setup”中“General”的界面,设置好后续所需参数的单位,计算时长、计算步长等参数。计算时长要计算到流体体积分数基本不在随时间变化为止,此时意味着整个模型系统基本趋于稳定。
选择基本模拟方法,在“Model Setup”的“Physics”的界面,选择紊流模型中的基本的数值模拟--RNG k-ε双方程模型以及重力模型“Gravity and non-inertia referencefrane”,并进行参数设置。若计算条件允许,可以再勾选“掺气模型”进行更加细化的研究。
在“Model Setup”中的处理界面“Fluids”中,选择流体类型、温度、重度等参数,该界面还支持多相流数值计算,如水汽二相流。
在“Model Setup”中的处理界面“Meshing&Geometry”中,进行网格划分以及边界条件、初始信息等设置。
在网格划分阶段,在模型的进口测设置一个沿水流方向厚度为0.1m的独立网格单元,该网格单元作为进口边界的控制单元且该单元的网格划分尽可能精密,以保证数值计算的准确性。
在“Model Setup”中的处理界面“Meshing&Geometry”中的“Mesh”中选择进行增加、删除网格单元并设置单个网格体的大小,各网格单元沿水流方向要连续贯通,网格单元外边界的坐标尽可能是规则数值,以方便后续内部网格划分细化。
所有的网格单元,在划分时要保证相邻的两个单元的网格体的网格边线要完全重合,否则在后续计算过程中会发生错误,若相邻的网格单元内部网格大小不一致,则两个单个网格的边长最大比值不超过三,相邻网格单元的网格边线依旧要求要完全重合。且最大的网格边界长度要明显小于固体边界厚度,否则会发生该单元网格在后续模拟过程中判定出现错误,而发生计算错误。
在调节网格的过程中,若想要对局部复杂边界进行加密处理时,不需要对该区域单独进行处理,可以在原有网格基础之上,进行网格嵌套,所嵌套的网格符合相邻网格的要求即可,并且可以利用该规则进行试算,已验证所设置的边界条件是否合理,若计算合理可以进行网格的叠加与细化,以节约计算资源。
可以在“Model Setup”中的处理界面“Meshing&Geometry”中的“Mesh”中的“Meshinformation”中查看网格数量信息,以满足计算资源要求,过多的网格数量会严重浪费计算资源,降低工作效率,可以根据粗算结果合理增加网格数量。
同样在“Model Setup”中的处理界面“Meshing&Geometry”定义各网格单元面属性,不过流边界可有按照墙面处理,过水边界可以选在“连续”或者“默认”,一般单独增加的加密内部网格单元的各边界可以选择“默认”。独立的进口边界单元可根据实际水流方向设置初始条件,如水深、流速等参数(也可根据需要选择流量等参数作为进口边界控制条件),出口断面一般选择压力边界即“自由出流”。
选择要输出的参数,一般常用的有“流速”、“水深”、“压力”等,可根据研究要素不同有选择的进行参数输出。本方法由于是采用“流速”、“湍动能”、“水深”作为控制参数。
在“Simulation Manger”中选择“Run”进行计算。该过程可以根据需要进行“暂停”、“继续计算”,以适应实际需要。
将计算结果文件在flow-sight打开,可以根据实际需要设置流体、固体边界的颜色、透明度等基础信息。也可以根据研究需要选择等轴三维视图或者平面切面处理来探究各参数的分布规律。
若想要研究某些固定点随时间变化规律,可以选择输入固定点的坐标有针对性的输出某一参数进行精细化研究。并且根据该特性进行某些特殊数据处理,如归一化等操作,进行脉动压力的分布特性等研究。
在对该文件进行较为系统的分析后,可以选择进行各参数的复合分析,得出该体型条件下、该边界条件下的参数复合关系。再进行体型替换或者初始边界条件改变,以探究不同组合形式下的参数复合关系。
根据各体型、各边界条件组合下的复合关系进行物理模型实验,根据参数的复合关系有计划的进行优化池室优化,该过程中要先对池室内各参数进行测量,验证实验规律和模拟规律的相似性,一般情况下数值模拟结果与实验结果在20%以内,便认为该模拟结果有一定参考价值。
进行真实的放流实验,记录并统计该放流目标的上溯路径及时长,根据该路径与参数分布进行对照,用以选择对该放流目标上溯过程有效控制参数,也可以根据实验以及对照结果进行再次优化。
图6为本申请实施例的竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法的不同形式隔板所取的水平切面位置。
如图6所示,各潜孔、堰孔的尺寸、位置以及切面选择的位置,可以通过不同尺寸与位置的变换来探究各条件下对应的池室水流结构。
图7为本申请实施例二所提供的一种竖缝式鱼道池室隔板结构优化装置的结构示意图。
如图7所示,该竖缝式鱼道池室隔板结构优化装置,包括:
获取模块10,用于获取初始鱼道池室和隔板的结构,并根据鱼道池室和隔板的结构,构建鱼道池室的三维数值模型;
处理模块20,用于对三维数值模型进行网格处理,并初始化三维数值模型的边界条件;
第一模拟模块30,用于通过改变第一参数数值分别对三维数值模型进行流体模拟,得到不同第一参数对应的第二参数的数值计算结果,并根据数值计算结果得到该结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;
第二模拟模块40,用于通过改变三维数值模型的结构和边界条件进行流体模拟,得到不同结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;
构建模块50,用于分别根据不同结构和边界条件构建多个物理模型,通过物理模型模拟验证并更新第一参数和第二参数的复合关系;
优化模块60,用于根据更新后第一参数和第二参数的复合关系通过物理模型进行放流实验,得到过流目标的上溯特性,并根据上溯特性对三维数值模型进行迭代优化,直至确定最优鱼道池室隔板结构和边界条件。
本申请实施例的竖缝式鱼道池室隔板结构优化装置,包括获取模块,用于获取初始鱼道池室和隔板的结构,并根据鱼道池室和隔板的结构,构建鱼道池室的三维数值模型;处理模块,用于对三维数值模型进行网格处理,并初始化三维数值模型的边界条件;第一模拟模块,用于通过改变第一参数数值分别对三维数值模型进行流体模拟,得到不同第一参数对应的第二参数的数值计算结果,并根据数值计算结果得到该结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;第二模拟模块,用于通过改变三维数值模型的结构和边界条件进行流体模拟,得到不同结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;构建模块,用于分别根据不同结构和边界条件构建多个物理模型,通过物理模型模拟验证并更新第一参数和第二参数的复合关系;优化模块,用于根据更新后第一参数和第二参数的复合关系通过物理模型进行放流实验,得到过流目标的上溯特性,并根据上溯特性对三维数值模型进行迭代优化,直至确定最优鱼道池室隔板结构和边界条件。由此,能够解决现有方法无法高效、低成本的设计适应各种复杂河流条件的竖缝式鱼道的技术问题,通过数值计算的方式,探究各细部结构对池室内水流流态的影响,并以此绘制参数(参数复合)与水流流态的相关关系进行物理模型试验,有效缩减了设计周期以及成本,提高了效率。
进一步地,在本申请实施例中,处理模块,具体用于:
根据计算要求对网格进行划分,其中,计算要求包括相邻网格的边长最大比值小于预设阈值、相邻网格的边线重合、最大的网格边长小于固体边界厚度;将初始水深初始化为符合池室结构要求的水深,并初始化边界性质和流体介质性质;其中,对于三维数值模型的不规则结构,通过构建实体模型初始化初始水深。
为了实现上述实施例,本申请还提出了一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,处理器执行计算机程序时,实现上述施例所述的竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法。
为了实现上述实施例,本申请还提出了一种非临时性计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时实现上述实施例的竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为,表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分,并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现,其中可以不按所示出或讨论的顺序,包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序,来执行功能,这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤,例如,可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表,可以具体实现在任何计算机可读介质中,以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用,或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言,"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下:具有一个或多个布线的电连接部(电子装置),便携式计算机盘盒(磁装置),随机存取存储器(RAM),只读存储器(ROM),可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器),光纤装置,以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外,计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质,因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描,接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序,然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解,本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中,多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如,如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样,可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现:具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路,具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路,可编程门阵列(PGA),现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成,所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中,该程序在执行时,包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外,在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器,磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本申请的限制,本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种竖缝式鱼道池室隔板结构优化方法,其特征在于,包括以下步骤:
获取初始鱼道池室和隔板的结构,并根据所述鱼道池室和隔板的结构,构建鱼道池室的三维数值模型;
对所述三维数值模型进行网格处理,并初始化所述三维数值模型的边界条件;
通过改变第一参数数值分别对所述三维数值模型进行流体模拟,得到不同第一参数对应的第二参数的数值计算结果,并根据所述数值计算结果得到该结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;
通过改变三维数值模型的结构和边界条件进行流体模拟,得到不同结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;
分别根据所述不同结构和边界条件构建多个物理模型,通过所述物理模型模拟验证并更新所述第一参数和第二参数的复合关系;
根据更新后第一参数和第二参数的复合关系通过所述物理模型进行放流实验,得到过流目标的上溯特性,并根据所述上溯特性对所述三维数值模型进行迭代优化,直至确定最优鱼道池室隔板结构和边界条件。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一参数至少包括流速、水深、压强中的一种;
所述第二参数至少包括湍动能、湍动能耗散率、水深、流速、压强中的一种。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述边界条件包括初始水深、边界性质、流体介质性质,所述对所述三维数值模型进行网格处理,并初始化所述三维数值模型的边界条件,包括:
根据计算要求对网格进行划分,其中,所述计算要求包括相邻网格的边长最大比值小于预设阈值、相邻网格的边线重合、最大的网格边长小于固体边界厚度;
将所述初始水深初始化为符合池室结构要求的水深,并初始化所述边界性质和流体介质性质;
其中,对于三维数值模型的不规则结构,通过构建实体模型初始化初始水深。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述通过改变第一参数数值分别对所述三维数值模型进行流体模拟,得到不同第一参数对应的第二参数的数值计算结果,包括:
分别根据不同的第一参数数值利用RNG k-ε双方程模型对三维数值模型进行流体模拟,并计算得到不同第一参数对应的第二参数的数值计算结果;
其中,所述RNG k-ε双方程模型表示为:
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述分别根据所述不同结构和边界条件构建多个物理模型,通过所述物理模型模拟验证并更新所述第一参数和第二参数的复合关系,包括:
分别根据所述不同结构和边界条件构建多个物理模型;
分别根据所述第一参数和第二参数的复合关系通过所述多个物理模型模拟对应的池室水流特性,得到第一参数和第二参数的对应关系;
对所述第一参数和第二参数的复合关系和模拟得到的对应关系进行对比分析,并根据分析结果反向指导三维数值模型的数值计算,以更新第一参数和第二参数的复合关系。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据更新后第一参数和第二参数的复合关系通过所述物理模型进行放流实验,得到过流目标的上溯特性,并根据所述上溯特性对所述三维数值模型进行迭代优化,直至确定最优鱼道池室隔板结构和边界条件,包括:
根据所述更新后第一参数和第二参数的复合关系通过物理模型模拟对应的池室水流特性进行过流目标的放流试验,对过流目标的上溯情况进行记录分析,得到所述过流目标的上溯特性;
根据所述过流目标的上溯特性通过不同结构和边界条件的物理模型模拟过流目标的放流试验,并根据实验结果对三维数值模型进行迭代优化,直至确定最优鱼道池室隔板结构和边界条件。
7.一种竖缝式鱼道池室隔板结构优化装置,其特征在于,包括:
获取模块,用于获取初始鱼道池室和隔板的结构,并根据所述鱼道池室和隔板的结构,构建鱼道池室的三维数值模型;
处理模块,用于对所述三维数值模型进行网格处理,并初始化所述三维数值模型的边界条件;
第一模拟模块,用于通过改变第一参数数值分别对所述三维数值模型进行流体模拟,得到不同第一参数对应的第二参数的数值计算结果,并根据所述数值计算结果得到该结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;
第二模拟模块,用于通过改变三维数值模型的结构和边界条件进行流体模拟,得到不同结构和边界条件下的第一参数和第二参数的复合关系;
构建模块,用于分别根据所述不同结构和边界条件构建多个物理模型,通过所述物理模型模拟验证并更新所述第一参数和第二参数的复合关系;
优化模块,用于根据更新后第一参数和第二参数的复合关系通过所述物理模型进行放流实验,得到过流目标的上溯特性,并根据所述上溯特性对所述三维数值模型进行迭代优化,直至确定最优鱼道池室隔板结构和边界条件。
8.如权利要求7所述的装置,其特征在于,所述处理模块,具体用于:
根据计算要求对网格进行划分,其中,所述计算要求包括相邻网格的边长最大比值小于预设阈值、相邻网格的边线重合、最大的网格边长小于固体边界厚度;
将所述初始水深初始化为符合池室结构要求的水深,并初始化所述边界性质和流体介质性质;
其中,对于三维数值模型的不规则结构,通过构建实体模型初始化初始水深。
9.一种计算机设备,其特征在于,包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时,实现如权利要求1-6中任一所述的方法。
10.一种非临时性计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一所述的方法。
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