CN116384289B - 一种通过计算流体动力学预测墩块式鱼道流量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过计算流体动力学预测墩块式鱼道流量的方法，包括先对墩块式鱼道进行量纲分析，得到流量与水深的量纲关系；然后对数值模拟的方法进行验证，对墩块式鱼道进行物理模型试验和数值计算，采集第一列中间墩块正前端水深并进行数据对比，得到合理有效的计算软件设置方法；然后通过得出的计算流体动力学设置方法对不同列数和不同坡度的墩块式鱼道进行数值模拟，对输出的水深与流量进行处理得到流量预测公式。在数值计算时，引入云计算以提高模拟精度和效率。在预测墩块式鱼道流量时，测得第一列中间墩块正前端水深带入对应流量公式即可得到实时的墩块式鱼道流量。本发明能够准确地测试不同墩块或不同坡度的墩块式鱼道的流量。
Description
技术领域
本发明属于水利工程领域，具体涉及一种通过计算流体动力学预测墩块式鱼道流量的方法。
背景技术
目前，恢复河道的纵向连通性，保护河流天然的生态系统，为水生生物提供良好的栖息场所，为洄游性鱼类提供便利的、有效的和安全的上溯通道，成为了在修建大坝、水电站等水利工程时所必须考虑的因素之一，也是诸多水利学者在水利工程以及环境保护等领域研究的热点课题之一。
鱼道是广泛使用的鱼类通道设施，其主要作用是供鱼类上溯洄游通过大坝、闸门等水工障碍物，从而减轻水利工程对目标鱼类的影响，在一些中、低水头的坝中有着广泛的应用。鱼类在进入鱼道之前，需要依靠适当流速大小的水流吸引才能找到鱼道的入口，并且在鱼道中需要抵抗沿途水流的阻力作用，逆流而上，最终才能到达河道的上游。槽式、池式鱼道是广泛被应用的鱼道类型，其主要是为河流中珍贵的鱼类物种以及经济型的洄游鱼类而设计，建筑材料一般为钢筋混凝土结构。按照鱼道结构布置的形式以及内部水流的流动特征又可以将鱼道类型划分为：丹尼尔式、竖缝式、池堰式、淹没孔口式、组合式和仿自然式鱼道等。仿自然式鱼道中墩块式是一种通过模拟天然河道而修建的鱼道，其内部的水流流态与天然河道内的流态更加接近，一般通过将方块截面的墩柱均匀分布与鱼道中提供阻力、增大流速以供鱼类上溯，为了保证鱼类能够利用鱼道到达上游，合理的流速（流量）是决定鱼类成功通过鱼道的关键因素之一，因此就需要适当布置块墩来控制流场，墩块数量和流道特性（如底坡等）均对流速或流量均有重要影响。
近年来，计算流体动力学（CFD）和云计算技术得到发展，由于其具有建模便捷、可直接对原型进行模拟、试验重复性较好等优点，数值模拟方法称为一种有效的研究手段。但是现有技术中还没有利用数值试验手段对墩块式鱼道中流量进行预测的方法。中国专利公开号CN106844913B中公开了一种基于三维计算流体动力学（CFD）的滞留气团热力学特性模拟方法，该专利利用三维计算流体动力学（CFD）进行了滞留气团的热力学分析，但是其方法不能用于预测墩块式鱼道的流量。因此，如何利用计算流体动力学（CFD）方法来准确预测墩块式鱼道的流量是一个非常值得研究的课题，它将有效指导实际工程中墩块式鱼道的设计与优化。
发明内容
本发明的目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种通过计算流体动力学预测墩块式鱼道流量的方法，能够简便、准确地预测出墩块式鱼道的流量，有效地保障了鱼道的经济、稳定和可持续运行。
本发明的技术方案：一种通过计算流体动力学预测墩块式鱼道流量的方法，包括以下步骤：
步骤S1：对缩尺的墩块式鱼道进行物理模型试验，建立墩块式鱼道物理模型；
给定墩块式鱼道坡度i，给定墩块列数N条件下，测得物理模型在不同模型流量Qm条件下，物理模型试验时模型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深为Ht；
步骤S2：对建立的墩块式鱼道物理模型进行量纲分析，得到墩块式鱼道流量的最终显性表达式，其中/>和/>为常数系数， g为重力加速度，H为墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深，B为墩块式鱼道宽度，s为等边墩块的边长；
步骤S3：对步骤S1中缩尺的墩块式鱼道进行数值模拟计算，计算收敛后导出结果；
通过计算流体动力学后处理软件进行后处理，在与步骤S1相同的给定墩块式鱼道坡度i，给定墩块列数N条件下，计算得到不同模型流量条件下数值模拟时模型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深为/>；
步骤S4：对步骤S3中得到的数值模拟时模型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深中找出与步骤S1中物理模型试验时模型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深为/>相对误差绝对值不超过5%的计算工况，即/>，输出对应的数值模拟方法；数值模拟方法包括网格尺寸、湍流模型、数值算法；
步骤S5：任意给定墩块式鱼道坡度i，任意给定墩块列数N条件下，对墩块式鱼道原型进行计算流体动力学计算，输出墩块式鱼道不同的原型流量条件下数值模拟时原型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深/>；将原型流量/>与数值模拟时原型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深/>及墩块式鱼道宽度与两倍等边墩块边长的差值B-2s导入统计产品与服务解决方案的数据处理软件（Statistical Product and Service Solutions，SPSS）中；对步骤S2中墩块式鱼道流量的最终显性表达式/>进行非线性拟合，得到常数系数/>和常数系数/>的具体值记为/>和/>，然后将系数具体值/>和系数具体值/>反代入/>，测得墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深H，代入表达式即可得到鱼道中的实时流量/>。
进一步的，步骤S1中建立墩块式鱼道物理模型，具体参数为：
墩块式鱼道几何长度为L，墩块式鱼道宽度为B，等边墩块的边长为s，墩块高度为h，墩块错位布置，纵向距离为，横向距离为/>，墩块式鱼道底面与水平面夹角为/>，墩块式鱼道坡度i为墩块式鱼道底面与水平面夹角/>的正切值，即/>，沿墩块式鱼道布置N列墩块，其中第一列墩块即N=1，N为整数，墩块式鱼道第一列中间墩块位于墩块式鱼道的正中间位置，与墩块式鱼道两侧边墙的距离均为/>，墩块式鱼道两侧边墙均相互连接突出的墩块，突出长度均为s/2；
物理模型试验采用正态物理模型，综合考虑物理模型水流在阻力平方区要求，选取物理模型线性比尺，物理模型采用重力相似准则设计，角度比/>，流速比/>，流量比，糙率比/>。由于重力是主要作用力，所以遵循重力相似准则设计，采用本方案优选的参数和模型，可以更好地模拟实际工程情况。
进一步的，步骤S2中对建立的墩块式鱼道物理模型进行量纲分析；具体量纲分析为：
将流量Q用关键参数显式表示；，F为方程式显式表示，关键参数为墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深H，墩块式鱼道宽度B，等边墩块的边长s和重力加速度g；将流量Q的显式表示改写成隐式表示，则/>，其中共计5个变量，流量Q单位为m³/s，等边墩块的边长s的单位为m，重力加速度g的单位为m/s2，墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深H的单位为m，墩块式鱼道宽度B的单位为m，将时间和长度定为基础变量，将5个变量通过一定的转换形成2个/>项，/>为水力学量纲关系项，通过量纲分析得到，/>，将关键参数的单位带入/>和/>保证/>的单位恒为1和的单位恒为1，/>为时间基础项，/>为长度基础项，计算得到a=-2.5,b=-0.5,c=-1,d=0,则，/>，将时间基础项/>和长度基础项/>联立，则得到；移项可得墩块式鱼道流量的最终显性表达式。
进一步的，步骤S3中对缩尺的墩块式鱼道进行数值模拟计算，具体为：
建立与步骤S1中缩尺的墩块式鱼道相同的三维物理模型，并将三维物理模型进行网格剖分，输出后缀名为.mesh的计算文件，导入计算流体动力学软件Fluent进行数值计算；
在将三维物理模型网格剖分时采用不同尺度网格，从而得到若干不同的网格方案，针对各个网格方案在计算流体动力学软件Fluent计算中选取不同的湍流模型及不同的数值算法。
进一步的，所述步骤S5中，墩块式鱼道原型进行计算流体动力学计算的网格方案和计算流体动力学软件Fluent设置方式与步骤S4中相同。
进一步的，步骤S5中，在墩块式鱼道原型进行计算流体动力学计算中引入云计算技术。本方案引入云计算可以提高数值计算的精度和速度，在原型的计算流体动力学数值计算中引入云计算技术，这是由于原型计算的网格量巨大，普通工作站难以完成计算，云计算中还存在大并行技术，显著提高计算精度与节省计算时间。
本发明的预测墩块式鱼道流量的方法，包括先对数值模拟的方法进行验证，通过对墩块式鱼道缩尺后的物理模型进行数值计算和物理试验，并对墩块式鱼道第一列中间墩块正前端水深进行采集与对比，得到合理的计算流体动力学数值方案包括网格剖分、湍流模型和数值方法；再通过上述数值方案对原型条件下的墩块式鱼道进行计算流体动力学计算，并输出相应的第一列中间墩块正前端水深。本发明通过缩尺物理模型试验和相应的物理模型计算流体动力学数值计算进行对比，用物理模型试验来约束数值计算方法，再通过得出的数值计算方法对原型条件下的墩块式鱼道进行计算以预测原型条件下的墩块式鱼道第一列中间墩块正前端水深，如此使得原型条件下的数值计算的结果更科学有效；使原型条件下构建的计算流体动力学数值计算模型（数值计算模型是指数值模拟构建的模型）能够满足实际流动条件，提高了计算流体动力学数值模拟的准确性，能够准确地预测出墩块式鱼道的实时流量。
本发明的有益效果：本发明通过计算流体动力学预测墩块式鱼道流量的方法，能够简便、准确地预测出墩块式鱼道中的流量，提高了水利工程中布置墩块式鱼道的规划合理性，有效地避免了鱼类在鱼道中无法有效洄游的问题。
附图说明
图1为墩块式鱼道结构示意图，（a）墩块式鱼道平面图；（b）墩块式鱼道平面图中A-A断面横剖面图；
图2为物理试验和数值模拟中墩块式鱼道第一列墩块正前端水深对比图；
图3为墩块式鱼道坡度，墩块列数N=6的墩块式鱼道Q~H结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
实施例1
本实施例的通过计算流体动力学预测墩块式鱼道流量的方法，具体步骤如下：
步骤S1：对缩尺的墩块式鱼道进行物理模型试验，建立墩块式鱼道物理模型；
其墩块式鱼道几何长度L为12m，墩块式鱼道宽度B为1m，等边墩块的边长s为0.18m的方墩，其高度h为0.34m，墩块错位布置，纵向距离和横向距离/>均为0.5m，墩块式鱼道底面与水平面夹角为0°，墩块式鱼道坡度i为夹角/>的正切值0.0%，沿鱼道根据需求布置若干列墩块，其中第一列（N=1）两墩块之间的距离/>为0.32m，与侧壁相连突出墩块长度为0.09m，试验是在给定墩块6列和墩块式鱼道坡度/>条件下进行的（墩块式鱼道结构如图1所示），测得物理模型不同模型流量/>条件下物理模型试验时模型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深为/>；
物理试验模型采用正态模型，综合考虑物理试验模型水流在阻力平方区要求，拟选取模型线性比尺，物理模型采用重力相似准则设计，角度比/>，流速比/>，流量比，糙率比/>。
步骤S2：对建立的墩块式鱼道物理模型进行量纲分析；
将流量Q用关键参数显式表示；，F为方程式显式表示，关键参数为墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深H，墩块式鱼道宽度B，等边墩块的边长s和重力加速度g；将流量Q的显式表示改写成隐式表示，则/>，其中共计5个变量，流量Q单位为m³/s，等边墩块的边长s的单位为m，重力加速度g的单位为m/s2，墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深H的单位为m，墩块式鱼道宽度B的单位为m，将时间和长度定为基础变量，将5个变量通过一定的转换形成2个/>项，/>为水力学量纲关系项，通过量纲分析得到，/>，将关键参数的单位带入/>和/>保证/>的单位恒为1和的单位恒为1，/>为时间基础项，/>为长度基础项，计算得到a=-2.5,b=-0.5,c=-1,d=0,则，将时间基础项/>和长度基础项/>联立，则得到；移项可得墩块式鱼道流量的最终显性表达式，其中/>和/>为常数系数。
步骤S3：对缩尺的墩块式鱼道进行数值模拟计算，建立缩尺的墩块式鱼道三维物理模型，并将三维物理模型进行网格剖分，输出后缀名为.mesh的计算文件，导入计算流体动力学软件Fluent进行数值计算，计算收敛后导出结果；
通过计算流体动力学后处理软件CFD-Post进行后处理，在给定墩块列数N和墩块式鱼道坡度条件下，计算得到不同模型流量Qm条件下数值模拟时模型墩块式鱼道第一列中间墩块正前端水深为/>；
在将三维物理模型网格剖分时采用不同尺度网格，从而得到若干不同的网格方案，针对各个网格方案在计算流体动力学软件Fluent计算中选取不同的湍流模型及不同的数值算法。
步骤S4：对步骤S3中数值计算得到的数值模拟时模型墩块式鱼道第一列中间墩块正前端水深中找出与步骤S1中物理模型试验时模型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深为/>相对误差绝对值不超过5%的计算工况，即/>，图2为物理试验和数值模拟中墩块式鱼道第一列墩块正前端水深对比图，其相对误差的绝对值均小于5%，输出对应的数值模拟方法，包括网格尺寸、湍流模型、数值算法，拟采用单位体积1×1×1的六面体结构化网格，湍流模型为可实现模型（Realizable k-ε），控制方程的离散方式为有限体积法（FVM）；扩散项采用二阶中心差分格式，对流项采用快速格式（QUICK），压力和速度的耦合采用简单耦合算法（SIMPLEC），计算方式采用并行计算，数值模拟方法采用气液两相流（VOF）方法。
步骤S5：对墩块式鱼道坡度为，给定墩块列数N=6的墩块式鱼道原型进行计算流体动力学计算，对墩块式鱼道原型的计算方法，墩块式鱼道原型计算流体动力学计算的网格方案和计算流体动力学软件Fluent设置方式采用单位体积1×1×1的六面体结构化网格，湍流模型为可实现模型Realizable k-ε，控制方程的离散方式为有限体积法（FVM）；扩散项采用二阶中心差分格式，对流项采用快速格式（QUICK），压力和速度的耦合采用简单耦合算法（SIMPLEC），计算方式采用并行计算，数值模拟方法采用气液两相流（VOF）方法。仅仅是将计算模型换成原型墩块式鱼道，其他计算方法不变，步骤S4就是一个选择与确定的过程，主要在于网格尺寸和云计算技术，网格尺寸不随计算对象的放大而放大，避免了由于尺寸放大后存在误差。在墩块式鱼道原型计算流体动力学计算中引入云技术，云计算技术提高了计算精度，也节省了计算的时间成本。
计算后输出原型计算结果，通过计算流体动力学后处理软件CFD-Post处理后得到不同原型流量条件下数值模拟时原型墩块式鱼道第一列中间墩块正前端水深/>，结果如图3所示；
步骤S6：将步骤S5中图3所示的计算流体动力学计算得到原型流量与数值模拟时原型墩块式鱼道第一列中间墩块正前端水深/>及对应的墩块式鱼道宽度与两倍等边墩块边长的差值B-2s导入统计产品与服务解决方案（Statistical Product and ServiceSolutions，SPSS），对步骤S2中墩块式鱼道流量的最终显性表达式进行非线性拟合，得到常数系数/>和常数系数/>的具体值记为0.31和1.56，则/>，测得墩块式鱼道第一列中间墩块正前端水深H代入表达式即可得到鱼道中的实时流量。
统计产品与服务解决方案的数据处理软件（Statistical Product and ServiceSolutions，SPSS）具体拟合步骤为：
1、先将数据导入数据处理软件统计产品与服务解决方案的数据处理软件（SPSS）；
2、然后进行回归拟合，在分析中找到回归，然后进行非线性拟合，确定因变量和模型表达式；
3、在选型中保存预存初始值，勾选残差值，拟合后即可得到合理的参数和参数/>的具体值。
那么，假设测得墩块式鱼道第一列墩块正前端水深H为0.20m，墩块式鱼道宽度与两倍等边墩块边长的差值B-2s为0.64m，那么此时的鱼道流量为。完毕。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种通过计算流体动力学预测墩块式鱼道流量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：对缩尺的墩块式鱼道进行物理模型试验，建立墩块式鱼道物理模型；
给定墩块式鱼道坡度i，给定墩块列数N条件下，测得物理模型在不同模型流量Qm条件下，物理模型试验时模型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深为Ht；
步骤S2：对建立的墩块式鱼道物理模型进行量纲分析，得到墩块式鱼道流量的最终显性表达式Q=α[(B-2s)2.5](g0.5) [H/(B-2s)]β，其中α和β为常数系数，B为墩块式鱼道宽度，s为等边墩块的边长，g为重力加速度，H为墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深；
步骤S3：对步骤S1中缩尺的墩块式鱼道进行数值模拟计算，计算收敛后导出结果；
通过计算流体动力学后处理软件进行后处理，在与步骤S1相同的给定墩块式鱼道坡度i，给定墩块列数N条件下，计算得到不同模型流量Qm条件下数值模拟时模型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深为Hc；
步骤S4：对步骤S3中得到的数值模拟时模型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深Hc中找出与步骤S1中物理模型试验时模型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深为Ht相对误差绝对值不超过5%的计算工况，即|Hc-Ht|/Ht≤5%，输出对应的数值模拟方法；
步骤S5：任意给定墩块式鱼道坡度i，任意给定墩块列数N条件下，对墩块式鱼道原型进行计算流体动力学计算，输出墩块式鱼道不同的原型流量Qp条件下数值模拟时原型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深Hp；将原型流量Qp与数值模拟时原型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深Hp及墩块式鱼道宽度与两倍等边墩块边长的差值B-2s导入统计产品与服务解决方案的数据处理软件中；对步骤S2中墩块式鱼道流量的最终显性表达式Q=α[(B-2s)2.5](g0.5) [H/(B-2s)]β进行非线性拟合，得到常数系数α和常数系数β的具体值记为α*和β*，然后将系数具体值α*和系数具体值β*反代入 Q=α*[(B-2s)2.5](g0.5) [H/(B-2s)]β*，测得墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深H，代入表达式即可得到鱼道中的实时流量；
步骤S2中量纲分析为：将流量Q用关键参数显式表示；Q=F(H，B，s，g)，F为方程式显式表示，关键参数为墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深H，墩块式鱼道宽度B，等边墩块的边长s和重力加速度g；将流量Q的显式表示改写成隐式表示，则F(Q，H，B，s，g)=0，其中共计5个变量，流量Q单位为m³/s，等边墩块的边长s的单位为m，重力加速度g的单位为m/s2，墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深H的单位为m，墩块式鱼道宽度B的单位为m，将时间和长度定为基础变量，将5个变量通过一定的转换形成2个项，/>为水力学量纲关系项，通过量纲分析得到，/>，/>，将关键参数的单位带入/>和保证/>的单位恒为1和/>的单位恒为1，/>为时间基础项，/>为长度基础项，计算得到a=-2.5,b=-0.5,c=-1,d=0,则/>，/>，将时间基础项/>和长度基础项/>联立，则得到Q/[(B-2s)2.5] g0.5=α[H/(B-2s)]β；移项可得墩块式鱼道流量的最终显性表达式。
2.根据权利要求1所述的一种通过计算流体动力学预测墩块式鱼道流量的方法，其特征在于：步骤S1中建立墩块式鱼道物理模型，具体参数为：
墩块式鱼道几何长度为L，墩块式鱼道宽度为B，等边墩块的边长为s，墩块高度为h，墩块错位布置，纵向距离为ax，横向距离为ay，墩块式鱼道底面与水平面夹角为γ，墩块式鱼道坡度i为墩块式鱼道底面与水平面夹角γ的正切值，即tanγ，沿墩块式鱼道布置N列墩块，其中第一列墩块即N=1，N为整数，墩块式鱼道第一列中间墩块位于墩块式鱼道的正中间位置，与墩块式鱼道两侧边墙的距离均为az，墩块式鱼道两侧边墙均相互连接突出的墩块，突出长度均为s/2；
物理模型试验采用正态物理模型，综合考虑物理模型水流在阻力平方区要求，选取物理模型线性比尺，物理模型采用重力相似准则设计，角度比/>，流速比/>，流量比，糙率比/>。
3.根据权利要求2所述的一种通过计算流体动力学预测墩块式鱼道流量的方法，其特征在于：步骤S3中对缩尺的墩块式鱼道进行数值模拟计算，具体为：
建立与步骤S1中缩尺的墩块式鱼道相同的三维物理模型，并将三维物理模型进行网格剖分，输出后缀名为.mesh的计算文件，导入计算流体动力学软件进行数值计算；
在将三维物理模型网格剖分时采用不同尺度网格，从而得到若干不同的网格方案，针对各个网格方案在计算流体动力学软件计算中选取不同的湍流模型及不同的数值算法。
4.根据权利要求3所述的一种通过计算流体动力学预测墩块式鱼道流量的方法，其特征在于：步骤S5中，在墩块式鱼道原型进行计算流体动力学计算中引入云计算技术。
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