CN116663452A - 一种预测不同墩块列数的墩块式鱼道流量的方法 - Google Patents

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CN116663452A CN202310656288.7A CN202310656288A CN116663452A CN 116663452 A CN116663452 A CN 116663452A CN 202310656288 A CN202310656288 A CN 202310656288A CN 116663452 A CN116663452 A CN 116663452A
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Abstract

本发明公开了一种预测不同墩块列数的墩块式鱼道流量的方法，包括先对墩块式鱼道缩尺后的物理模型进行物理试验，然后对与物理模型相同的数值模拟几何模型进行数值计算，根据物理模型试验与模型数值模拟的相对误差与现场实测与原型数值模拟的相对误差相同确定现场实测的第一列中间墩块正前端水深，通过数据分析确定墩块式鱼道中流量与水深之间的数学关系，通过现场测试第一列中间墩块正前端水深即可便捷地获取墩块式鱼道中的实时流量。本发明的有益效果是：可以避免墩块式鱼道中无限制布置墩块列数而浪费工程造价；同时有效地控制墩块列数使得墩块式鱼道中能够精确满足流量或流速条件，解决了鱼类在鱼道中无法洄游的问题。

Description

一种预测不同墩块列数的墩块式鱼道流量的方法
技术领域
本发明属于预测鱼道流量的方法，具体涉及一种预测不同墩块列数的墩块式鱼道流量的方法。
背景技术
目前，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。
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。
因此就需要适当布置块墩来控制流场，显然墩块数量对流速或流量有非常重要的影响，随着墩块列数的增多，墩块式鱼道内流速或流量减小，但是目前鱼道流量或流速与鱼道内布置的墩块列数之间的内在量化联系尚未有研究。
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CN110633530A中公开了一种基于计算流体动力学和卷积神经网络的鱼道设计方法，该专利利用计算流体动力学技术获取鱼道流场的变化，但是其方法不能用于预测墩块式鱼道的流量，更无法体现墩块列数对墩块式鱼道流场的影响。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及其受墩块列数的量化影响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，本发明提供一种预测不同墩块列数的墩块式鱼道流量的方法，能够简便、准确地预测出不同墩块列数的墩块式鱼道的流量，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：一种预测不同墩块列数的墩块式鱼道流量的方法，包括以下步骤：
步骤S1：对墩块式鱼道模型进行物理模型试验，建立墩块式鱼道物理模型；
给定墩块式鱼道坡度i保持不变，任意给定墩块列数N条件下，测得物理模型在不同模型流量Qm条件下，墩块式鱼道墩块列数N对应的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；
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λl，物理模型采用重力相似准则设计，角度比λγ，流速比λv＝λl 0.5，流量比λQ＝λl 2.5，糙率比λn＝λl 1/6；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；
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＝ν(w2.5)(g0.5)(H/w)μ，其中ν和μ为常数系数，w为收缩宽度，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并输出计算时的数值模拟方法及对应的最优网格尺寸；
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条件下，给定墩块式鱼道墩块列数N，计算得到不同模型流量Qm条件下，墩块式鱼道墩块列数N对应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的相对误差进行计算，得到与模型流量系列Qmj相对应的相对误差序列ηj，ηj＝(Hcj-Htj)/Htj，序列数j表示模型流量Qm、相对误差η、物理模型试验水深Ht和数值模拟水深Hc相对应的序列数；
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，其中原型流量Qp为模型流量序列Qpj的λl 2.5倍，即Qpj＝λl 2.5Qmj，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对应的水深序列为Hpj；
步骤S6：结合模型流量系列Qmj相对照的相对误差序列ηj和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对应的水深序列Hpj对现场实测原型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深序列Hfj修正，f表示现场实测，根据物理模型试验与模型数值模拟的相对误差、现场实测与原型数值模拟的相对误差相同，则ηj＝(Hpj-Hfj)/Hfj，即(Hcj-Htj)/Htj＝(Hpj-Hfj)/Hfj，求得Hfj＝Hpj×Htj/Hcj；
步骤S7：将原型流量序列Qpj与修正得到的现场实测的原型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深序列Hfj及对应的收缩宽度w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Q＝ν(w2.5)(g0.5)(H/w)μ进行非线性拟合，得到给定墩块式鱼道坡度i和任意墩块列数N条件下，墩块式鱼道流量表达式中，ν＝AN2+BN+C，μ＝DN+E，即Q＝(AN 2+BN+C)(w2.5)(g0.5)(H/w)DN+E；其中A，B，C，D，E为常数系数，现场实测得到墩块式鱼道墩块列数N和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，宽度为W，墩块为边长为s的方墩，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，两个墩块之间的距离为w/2；
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；Q＝F(H，w，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，收缩宽度w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，w，g)＝0，其中共计4个变量，流量Q单位为m3/s，收缩宽度w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，将时间和长度定为基础变量，将4个变量通过一定的转换形成2个π项，π为水力学量纲关系项，通过量纲分析得到π1＝(w)a(g)b(Q),π2＝(w)c(g)d(H)，将关键参数的单位带入π1和π2保证π1＝1和π2＝1，π1为时间基础项，π2为长度基础项，计算得到a＝-2.5,b＝-0.5,c＝-1,d＝0,则π1＝Q/(w2.5g0.5),π2＝H/w，将时间基础项π1和长度基础项π2联立，则得到Q/(w2.5g0.5)＝ν(H/w)μ；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数值模拟计算及其最优网格尺寸确定步骤具体为：
S31:通过三维建模软件SolidWorks建立与步骤S1中相同的缩尺的墩块式鱼道数值模拟几何模型；
S32：利用数值模拟网格剖分软件ANSYS ICEM进行网格剖分，网格方案分别为Gk，下标k为序列数，取值为1，2，3…，与网格方案对应的网格总体布局比例为ξk，ξk的单位为无量纲，并且对应的最大网格尺寸为δk，δk的单位为mm，相应的生成的网格总量分别为Mk，Mk的单位为万，其中网格总体布局比例ξ和最大网格尺寸δ随序列数k的递增而减小，网格总量M随着序列数k的递增而增大，全网格类型为无任何局部加密的六面体结构化网格，分别导出为后缀名为.mesh的计算文件；
S33：确定数值模拟最优网格参数，将步骤S32中后缀名为.mesh计算文件导入流体数值模拟软件Fluent进行计算，对网格方案Gk和Gk+1分别进行计算，流体数值模拟软件Fluent中均设置为：湍流模型为标准湍流模型Standard k-ε，进口采用速度进口条件，出口边界采用压力出口，自由水面采用压力进口，边壁采用壁面函数，控制方程的离散方法采用有限体积法FVM，扩散项采用二阶中心差分格式，对流项采用QUICK格式，压力和速度的耦合采用SIMPLEC算法，计算方法采用流体体积方法VOF；再通过数值模拟后处理软件CFD-Post进行数据处理，分别采集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Hck和Hck+1，当Hck≠Hck+1时，返回步骤S32减小网格总体布局比例和最大网格尺寸，重新剖分网格继续进行计算和采集数据及对比；当Hck＝Hck+1时输出最优网格方案Gk的网格总体布局比例ξk和对应的最大网格尺寸δk。
进一步的，步骤S7中常数系数A，B，C，D，E的确定步骤为：
步骤S71：采用步骤S3中的数值模拟方法及对应的最优网格尺寸对墩块式鱼道原型进行计算流体动力学计算，其中墩块列数N取整，在不同的原型流量Qp条件下测得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；
步骤S72：采用步骤S6对各墩块列数N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进行修正，修正得到各墩块列数N现场实测的原型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深序列Hf；
步骤S73：将各墩块列数N对应的原型流量Qp和现场实测时原型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深Hf分别代入统计产品与服务解决方案的数据处理软件中，得到墩块列数N条件下的参数ν和参数μ；
步骤S74：将步骤S53中得到的不同墩块列数N条件下的参数ν和参数μ分别代入数据处理软件，对墩块列数N与参数ν进行二次项拟合，得到常数系数A、常数系数B和常数系数C，对墩块列数N与参数μ进行线性拟合，得到常数系数D和常数系数E。
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。步骤S71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。
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。
本发明的预测墩块式鱼道流量的方法，包括先对墩块式鱼道缩尺后的物理模型进行物理试验，然后对与物理模型相同的数值模拟几何模型进行数值计算，在计算之前确定数值模拟方法，包括湍流模型、网格剖分、边界条件、离散方法、计算格式和数值方法，其中网格剖分对模拟结果影响很大，有必要对最优网格尺寸进行确定，通过确定的数值模拟方法对缩尺后的物理模型进行数值模拟，对墩块式鱼道第一列中间墩块正前端水深进行采集，并结合物理模型试验数据确定数模与物模之间的相对误差；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，并根据物理模型试验与模型数值模拟的相对误差与现场实测与原型数值模拟的相对误差相同确定现场实测的第一列中间墩块正前端水深，最后通过数据分析确定墩块式鱼道中流量与水深之间的数学关系，通过现场测试第一列中间墩块正前端水深即可便捷地获取墩块式鱼道中的实时流量。本发明通过缩尺物理模型试验及相应的物理模型计算流体动力学数值计算结果和原型计算流体力学数值计算结果共同约束数值模拟计算结果，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)预测的结果能够满足现场实测流动条件，提高了计算流体动力学数值模拟的预测精度，能够准确地预测出墩块式鱼道的实时流量，从而合理布置鱼道的墩块列数。
本发明的有益效果：本发明的预测不同墩块列数的墩块式鱼道流量的方法，能够简便、准确地预测出不同墩块列数的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，可以避免墩块式鱼道中无限制布置墩块列数而浪费工程造价；同时有效地控制墩块列数使得墩块式鱼道中能够精确满足流量或流速条件，解决了鱼类在鱼道中无法洄游的问题。
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R-R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，(a)墩块式鱼道坡度i＝0.0％和墩块列数N＝6的物理试验和数值模拟水深对比图；(b)墩块式鱼道坡度i＝0.0％和墩块列数N＝6的物理试验和数值模拟水深相对误差图；
图3为墩块式鱼道坡度i＝0.0％，墩块列数N＝1、3、5和7的墩块式鱼道Q～H结果；
图4为墩块式鱼道坡度i＝0.0％时不同墩块列数N条件下通过图形可视化和数据分析软件Origin拟合的参数ν和参数μ，(a)参数ν与墩块列数N的关系；(b)参数μ与墩块列数N的关系。
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；
其鱼道几何长度L为12m，宽度W为1m，墩块为边长s为0.18m的方墩，其高度h为0.34m，墩块错位布置，纵向距离ax和横向距离ay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γ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w/2＝0.32，试验是在给定墩块6列和墩块式鱼道坡度i＝0.0％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；
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λl，物理模型采用重力相似准则设计，角度比λγ，流速比λv＝λl 0.5，流量比λQ＝λl 2.5，糙率比λn＝λl 1/6。
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；Q＝F(H，w，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，收缩宽度w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，w，g)＝0，其中共计4个变量，流量Q单位为m3/s，收缩宽度w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，将时间和长度定为基础变量，将4个变量通过一定的转换形成2个π项，π为水力学量纲关系项，通过量纲分析得到π1＝(w)a(g)b(Q),π2＝(w)c(g)d(H)，将关键参数的单位带入π1和π2保证π1＝1和π2＝1，π1为时间基础项，π2为长度基础项，计算得到a＝-2.5,b＝-0.5,c＝-1,d＝0,则π1＝Q/(w2.5g0.5),π2＝H/w，将时间基础项π1和长度基础项π2联立，则得到Q/(w2.5g0.5)＝ν(H/w)μ；移项可得墩块式鱼道流量的最终显性表达式Q＝ν(w2.5)(g0.5)(H/w)μ，其中ν和μ为常数系数。
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并输出计算时的数值模拟方法及对应的最优网格尺寸；
对缩尺的墩块式鱼道数值模拟计算及其最优网格尺寸确定步骤具体为：
S31:通过三维建模软件SolidWorks建立与步骤S1中相同的缩尺的墩块式鱼道数值模拟几何模型；
S32：利用数值模拟网格剖分软件ANSYS ICEM进行网格剖分，网格方案分别为G1，G2，G3和G4，与网格方案对应的网格总体布局比例分别为4，3，2和1，并且对应的最大网格尺寸为16，8，4和2，相应的生成的网格总量分别为200万，800万，1600万和3000万，全网格类型为无任何局部加密的六面体结构化网格，分别导出为后缀名为.mesh的计算文件；
S33：确定数值模拟最优网格参数，将步骤S32中后缀名为.mesh计算文件导入流体数值模拟软件Fluent进行计算，对网格方案G1和G2分别进行计算，其对应的网格总体布局比例分别为4和3、对应的最大网格尺寸分别为16mm和8mm、对应的网格总量分别为200万和800万，流体数值模拟软件Fluent中均设置为：湍流模型为标准湍流模型Standard k-ε，进口采用速度进口条件，出口边界采用压力出口，自由水面采用压力进口，边壁采用壁面函数，控制方程的离散方法采用有限体积法FVM，扩散项采用二阶中心差分格式，对流项采用QUICK格式，压力和速度的耦合采用SIMPLEC算法，计算方法采用流体体积方法VOF；再通过数值模拟后处理软件CFD-Post进行数据处理，分别采集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2.6cm和2.4cm，此时Hc1与Hc2不相等，则重新确定网格方案G2和G3分别进行计算，其对应的网格总体布局比例分别为3和2、对应的最大网格尺寸分别为8mm和4mm、对应的网格总量分别为800万和1600万，Fluent设置方法保持不变，分别采集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2.4cm和2.4cm，则此时Hc2与Hc3相等，输出最优网格方案G2的网格总体布局比例3和对应的最大网格尺寸8mm；输出数值计算方法为：湍流模型为标准湍流模型Standard k-ε，进口采用速度进口条件，出口边界采用压力出口，自由水面采用压力进口，边壁采用壁面函数，控制方程的离散方法采用有限体积法FVM，扩散项采用二阶中心差分格式，对流项采用QUICK格式，压力和速度的耦合采用SIMPLEC算法，计算方法采用流体体积方法VOF；
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＝0.0％条件下，给定墩块式鱼道墩块列数N＝6，计算得到不同模型流量Qm条件下，墩块式鱼道墩块列数N＝6对应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的相对误差进行计算，得到与模型流量系列Qmj相对照的相对误差序列ηj，ηj＝(Hcj-Htj)/Htj,下标j表示模型流量Qm、相对误差η、物理模型试验水深Ht和数值模拟水深Hc相对照的序列数,如图2所示；
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，其中墩块式鱼道墩块列数取1、3、5和7，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，其中原型流量为模型流量序列Qpj的λl 2.5倍，即Qpj＝λl 2.5Qmj，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对应的水深序列为Hpj；
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设置方式采用网格方案G2的网格总体布局比例3和最大网格尺寸8mm，湍流模型为标准湍流模型Standard k-ε，进口采用速度进口条件，出口边界采用压力出口，自由水面采用压力进口，边壁采用壁面函数，控制方程的离散方法采用有限体积法FVM，扩散项采用二阶中心差分格式，对流项采用QUICK格式，压力和速度的耦合采用SIMPLEC算法，计算方法采用流体体积方法VOF；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S3就是一个确定的过程，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Qp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Hp；
步骤S6：结合模型流量系列Qmj相对照的相对误差序列ηj和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Hpj对现场实测第一列中间墩块的正前端水深Hfj修正，下标f表示现场实测，根据物理模型试验与模型数值模拟的相对误差与现场实测与原型数值模拟的相对误差相同，则ηj＝(Hpj-Hfj)/Hfj，即(Hcj-Htj)/Htj＝(Hpj-Hfj)/Hfj，求得Hfj＝Hpj×Htj/Hcj，结果如图3所示；
步骤S7：将原型流量序列Qpj与修正得到的现场实测的原型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深序列Hfj及对应的收缩宽度w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＝ν(w2.5)(g0.5)(H/w)μ进行非线性拟合，得到墩块列数N条件下的参数ν和参数μ，即当N＝1时，ν＝0.55和μ＝1.62；当N＝3时，ν＝0.37和μ＝1.58；当N＝5时，ν＝0.34和μ＝1.57；当N＝7时，ν＝0.29和μ＝1.55；
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α和参数β的具体值。
然后将得到的不同墩块式鱼道墩块列数N和参数值ν代入图形可视化和数据分析软件Origin中，对墩块式鱼道坡度N与参数ν进行线性拟合，得到A＝0.005、B＝-0.084和C＝0.628；再将得到的不同墩块式鱼道墩块列数N和参数值μ代入图形可视化和数据分析软件Origin中，对墩块式鱼道墩块列数N和参数值μ进行二次项拟合，得到D＝-0.012和k5＝1.631，则ν＝0.005N2-0.084N+0.628，μ＝-0.012N+1.631，拟合结果如图4所示(图4为墩块式鱼道坡度i＝0.0％时不同墩块式鱼道墩块列数N条件下通过图形可视化和数据分析软件Origin拟合的参数ν和参数μ)，需要注意的是此处的墩块式鱼道坡度N的有效范围为1≤N≤7，则得到最终墩块式鱼道流量的表达式为Q＝(0.005N2-0.084N+0.628)(w2.5)(g0.5)(H/w)(-0.012N+1.631)。
那么，假设墩块式鱼道的墩块N＝4，代入即可得到该坡度条件下的参数ν和参数μ分别为0.37和1.58值，则墩块式鱼道流量实时预测公式为Q＝0.37(Bc 2.5)(g0.5)(H/Bc)1.58，假设测得墩块式鱼道第一列墩块正前端水深H为0.20m，对应的鱼道收缩宽度w为0.64m，那么此时的鱼道流量为0.061m3/s。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 (7)

1.一种预测不同墩块列数的墩块式鱼道流量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：对墩块式鱼道模型进行物理模型试验，建立墩块式鱼道物理模型；
给定墩块式鱼道坡度i保持不变，任意给定墩块列数N条件下，测得物理模型在不同模型流量Qm条件下，墩块式鱼道墩块列数N对应的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；
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λl，物理模型采用重力相似准则设计，角度比λγ，流速比λv＝λl 0.5，流量比λQ＝λl 2.5，糙率比λn＝λl 1/6；
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＝ν(w2.5)(g0.5)(H/w)μ，其中ν和μ为常数系数，w为收缩宽度，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并输出计算时的数值模拟方法及对应的最优网格尺寸；
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条件下，给定墩块式鱼道墩块列数N，计算得到不同模型流量Qm条件下，墩块式鱼道墩块列数N对应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的相对误差进行计算，得到与模型流量系列Qmj相对应的相对误差序列ηj，ηj＝(Hcj-Htj)/Htj，序列数j表示模型流量Qm、相对误差η、物理模型试验水深Ht和数值模拟水深Hc相对应的序列数；
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，其中原型流量Qp为模型流量序列Qpj的λl 2.5倍，即Qpj＝λl 2.5Qmj，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对应的水深序列为Hpj；
步骤S6：结合模型流量系列Qmj相对照的相对误差序列ηj和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对应的水深序列Hpj对现场实测原型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深序列Hfj修正，f表示现场实测，根据物理模型试验与模型数值模拟的相对误差、现场实测与原型数值模拟的相对误差相同，则ηj＝(Hpj-Hfj)/Hfj，即(Hcj-Htj)/Htj＝(Hpj-Hfj)/Hfj，求得Hfj＝Hpj×Htj/Hcj；
步骤S7：将原型流量序列Qpj与修正得到的现场实测的原型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深序列Hfj及对应的收缩宽度w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＝ν(w2.5)(g0.5)(H/w)μ进行非线性拟合，得到给定墩块式鱼道坡度i和任意墩块列数N条件下，墩块式鱼道流量表达式中，ν＝AN2+BN+C，μ＝DN+E，即Q＝(AN 2+BN+C)(w2.5)(g0.5)(H/w)DN+E；其中A，B，C，D，E为常数系数，现场实测得到墩块式鱼道墩块列数N和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。
2.根据权利要求1所述的一种预测不同墩块列数的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，宽度为W，墩块为边长为s的方墩，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，两个墩块之间的距离为w/2。
3.根据权利要求2所述的一种预测不同墩块列数的墩块式鱼道流量的方法，其特征在于：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；Q＝F(H，w，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，收缩宽度w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，w，g)＝0，其中共计4个变量，流量Q单位为m3/s，收缩宽度w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，将时间和长度定为基础变量，将4个变量通过一定的转换形成2个π项，π为水力学量纲关系项，通过量纲分析得到π1＝(w)a(g)b(Q),π2＝(w)c(g)d(H)，将关键参数的单位带入π1和π2保证π1＝1和π2＝1，π1为时间基础项，π2为长度基础项，计算得到a＝-2.5,b＝-0.5,c＝-1,d＝0,则π1＝Q/(w2.5g0.5),π2＝H/w，将时间基础项π1和长度基础项π2联立，则得到Q/(w2.5g0.5)＝ν(H/w)μ；移项可得墩块式鱼道流量的最终显性表达式。
4.根据权利要求3所述的一种预测不同墩块列数的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数值模拟计算及其最优网格尺寸确定步骤具体为：
S31:通过三维建模软件SolidWorks建立与步骤S1中相同的缩尺的墩块式鱼道数值模拟几何模型；
S32：利用数值模拟网格剖分软件ANSYS ICEM进行网格剖分，网格方案分别为Gk，下标k为序列数，取值为1，2，3…，与网格方案对应的网格总体布局比例为ξk，ξk的单位为无量纲，并且对应的最大网格尺寸为δk，δk的单位为mm，相应的生成的网格总量分别为Mk，Mk的单位为万，其中网格总体布局比例ξ和最大网格尺寸δ随序列数k的递增而减小，网格总量M随着序列数k的递增而增大，全网格类型为无任何局部加密的六面体结构化网格，分别导出为后缀名为.mesh的计算文件；
S33：确定数值模拟最优网格参数，将步骤S32中后缀名为.mesh计算文件导入流体数值模拟软件Fluent进行计算，对网格方案Gk和Gk+1分别进行计算，流体数值模拟软件Fluent中均设置为：湍流模型为标准湍流模型Standard k-ε，进口采用速度进口条件，出口边界采用压力出口，自由水面采用压力进口，边壁采用壁面函数，控制方程的离散方法采用有限体积法FVM，扩散项采用二阶中心差分格式，对流项采用QUICK格式，压力和速度的耦合采用SIMPLEC算法，计算方法采用流体体积方法VOF；再通过数值模拟后处理软件CFD-Post进行数据处理，分别采集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Hck和Hck+1，当Hck≠Hck+1时，返回步骤S32减小网格总体布局比例和最大网格尺寸，重新剖分网格继续进行计算和采集数据及对比；当Hck＝Hck+1时输出最优网格方案Gk的网格总体布局比例ξk和对应的最大网格尺寸δk。
5.根据权利要求1所述的一种预测不同墩块列数的墩块式鱼道流量的方法，其特征在于：步骤S7中常数系数A，B，C，D，E的确定步骤为：
步骤S71：采用步骤S3中的数值模拟方法及对应的最优网格尺寸对墩块式鱼道原型进行计算流体动力学计算，其中墩块列数N取整，在不同的原型流量Qp条件下测得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；
步骤S72：采用步骤S6对各墩块列数N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进行修正，修正得到各墩块列数N现场实测的原型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深序列Hf；
步骤S73：将各墩块列数N对应的原型流量Qp和现场实测时原型墩块式鱼道第一列中间墩块的正前端水深Hf分别代入统计产品与服务解决方案的数据处理软件中，得到墩块列数N条件下的参数ν和参数μ；
步骤S74：将步骤S53中得到的不同墩块列数N条件下的参数ν和参数μ分别代入数据处理软件，对墩块列数N与参数ν进行二次项拟合，得到常数系数A、常数系数B和常数系数C，对墩块列数N与参数μ进行线性拟合，得到常数系数D和常数系数E。
6.根据权利要求1所述的一种预测带有鱼道坡度的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。
7.根据权利要求5所述的一种预测带有鱼道坡度的墩块式鱼道流量的方法，其特征在于：步骤S71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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