CN117408188B - 一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法 - 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梯形溢流坝流量的方法，基于缩尺的梯形溢流坝进行物理模型试验和数值计算，得到对应的数值模拟方法；对输出的上游坡度、下游坡度、相对坝顶宽度进行处理得到梯形溢流坝流量系数表达式，从而得到梯形溢流坝流量仅随梯形溢流坝上游总能量水头变化的表达式。在数值计算时，引入云计算以提高模拟精度和效率。在预测梯形溢流坝流量时，测得梯形溢流坝上游总能量水头或上游水深带入对应流量公式即可得到实时的梯形溢流坝流量。本发明能够准确合理地预测设置了梯形溢流坝的渠道流量。

Description

一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法
技术领域
本发明属于流体动力学领域，具体涉及一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法。
背景技术
在国内各类渠道中梯形溢流坝通常用作灌溉结构，具有短坝顶的梯形剖面的堰用于将河水引向灌溉渠用于灌溉庄稼和农作物。通常在梯形溢流坝装置中配有控制流量的闸门，可以根据作物灌溉水量的需要来调节上游水位，从而达到灌溉要求。此外，此类梯形溢流坝还可以根据闸门开度和梯形溢流坝上游及下游水位来充当流量测量装置。然而有研究表明，在测量流量时流场的改变决定了流量的预测精度。通常随着梯形溢流坝上、下游水位相对位置的变化，梯形溢流坝的下游水流流场在自由出流和淹没出流两种形态中切换。通常发生洪水或大流量工况时，梯形溢流坝下游流场处于淹没出流状态，而日常小流量工况使用，梯形溢流坝下游流场处于自由出流状态。
梯形溢流坝的流场除了受下游出流状态影响之外，还受梯形溢流坝几何构造的影响，主要包括梯形溢流坝的坝顶宽度、上游坡度和下游坡度。虽然有部分学者有针对地进行了一些研究，但是均只考虑某一个因素，或者基于一些古老的公式进行了一些不太符合逻辑的修改，这导致过去学者们提出的流量预测公式缺乏科学性和系统性，使得流量预测精度大打折扣。需要指出的是，本技术在预研究中发现，上游坡度和下游坡度的临界点均在1:1，换言之，上游坡度或下游坡度在缓于1:1或陡于1:1时，梯形溢流坝中流场均发生较大的改变，这正是过去研究者没有考虑的，他们均将所有坡度综合考虑，包括上游坡度和下游坡度为直角的情况（均为直角时为宽顶堰或薄壁堰），这导致流量预测的精度大受影响。本技术受经费和时间的限制，仅考虑了上游坡度和下游坡度缓于1:1的情况。此外，梯形溢流坝的坝顶宽度也是一个必须要考虑的重要因素，这也是很多研究者没有考虑的注意点，或许仅针对某一个固定坝顶宽度的梯形溢流坝提出一个流量预测公式是可行的，但是换一个不同坝顶宽度的梯形溢流坝必将不适用。本技术为了提高所提出的流量预测公式的普适性，将梯形溢流坝的坝顶宽度作为一个关键因素考虑在流量预测方法中，从而拓宽所提出梯形溢流坝流量预测方法的应用场景。
随着计算流体动力学（CFD）和云计算技术的快速发展，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，数值模拟方法逐渐成为一种非常有效的研究手段。但是现有技术中还没有利用数值试验手段精确预测梯形溢流坝流量的方法。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梯形溢流坝的流量。因此，如何利用计算流体动力学（CFD）方法来准确预测梯形溢流坝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梯形溢流坝的设计与优化，并显著提高水利管理部门的决策效率。本技术主要针对小流量工况，即梯形溢流坝下游处于自由出流状态的流量预测进行研究，从而提出一种适用于自由出流条件的梯形溢流坝的流量预测办法。
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梯形溢流坝流量的方法，能够简便、准确和合理地预测梯形溢流坝的流量，有效地保证了梯形溢流堤的经济、安全和稳定运行。
本发明的技术方案：一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，包括以下步骤：
步骤S1：对缩尺的梯形溢流坝进行物理模型试验，建立梯形溢流坝渠道物理模型；在模型试验流量Qt条件下测得物理模型试验时，沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流断面水深hi；
步骤S2：对步骤S1中建立的梯形溢流坝渠道物理模型进行数值计算，计算收敛后导出结果，通过计算流体动力学后处理软件进行后处理；在与步骤S1几何尺寸相同的梯形溢流坝的条件下，计算得到相同模型试验流量Qt条件下测得数值模拟时，沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流横断面对应水深Hi；
步骤S3：对步骤S2中数值模拟时对应水深Hi数据集与步骤S1中物理模型试验时对应水深hi数据集进行逐点对比，找到所有数值逐点相对误差绝对值均不超过η%的计算工况，即|Hi-hi|/hi≤η%，输出对应的数值模拟方法；
步骤S4：根据梯形溢流坝的流量Q表达式Q=Cdb(2gH0 3)1/2得到梯形溢流坝流量系数Cd的表达式；其中b为渠道宽度，g为重力加速度，H0为梯形溢流坝上游总能量水头；A、B、C、k和/>为常数系数，ξ为相对坝顶宽度，θu表示上游坡度，θd表示下游坡度；
步骤S5：对不同几何条件的梯形溢流坝进行计算流体动力学计算，采用统计产品与服务解决方案SPSS软件对相对坝顶宽度ξ，上游坡度θu，下游坡度θd和梯形溢流坝流量系数Cd进行非线性拟合，得到常数系数A、B、C、k和的具体值记为A*、B*、C*、k*和/>，将常数系数具体值反代入梯形溢流坝流量系数Cd的表达式，得到梯形溢流坝流量系数表达式；
步骤S6：将步骤S5得到的梯形溢流坝流量系数表达式代入步骤S4梯形溢流坝的流量Q表达式，得到梯形溢流坝的流量Q的表达式为：
；
将坝顶宽度Lc、坝顶高度hL、上游坡度θu和下游坡度θd安置在梯形溢流坝给定渠道宽度b中，实时测得梯形溢流坝上游总能量水头H0，求得梯形溢流坝中的实时流量；或者测得梯形溢流坝上游水深Hp求解可得梯形溢流坝的流量Q。
进一步的，步骤S1中对缩尺的梯形溢流坝进行物理模型试验，应保证梯形溢流坝的下游水流状态始终为自由出流，具体方法为：
在梯形溢流坝的上游逐渐增加模型试验流量Qt，在梯形溢流坝下游设置尾门并控制尾门的开度，同时监测梯形溢流坝上游水位ht和下游水位Tt，随着下游水位Tt逐渐上升，始终保证梯形溢流坝上游水位ht变化明显不超过1mm。
进一步的，步骤S1中缩尺的梯形溢流坝渠道物理模型，具体参数为：
渠道几何长度为L，梯形溢流坝渠道横跨渠道贯穿布置；
梯形溢流坝几何参数为：坝顶高度hL，坝顶宽度Lc，上游坝顶拐点到上游坝脚拐点的水平距离为Hu，下游坝顶拐点到下游坝脚拐点的水平距离为Hd，其中上游坡度为上游坡度对应的坝顶高度hL与上游坝顶拐点到上游坝脚拐点的水平距离Hu的比值，下游坡度为下游坡度对应的坝顶高度hL与下游坝顶拐点到下游坝脚拐点的水平距离Hd的比值；
上游坡度和下游坡度的陡度均不低于1:1；
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，梯形溢流坝渠道流量Qp=λQ×Qt。
进一步的，步骤S1中物理模型试验时沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流断面水深hi，i为随机断面编号；对应的步骤S2中数值模拟时沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流横断面对应水深Hi ，i断面编号与步骤S1中相同。
进一步的，步骤S2中梯形溢流坝进行数值计算，具体为：
建立与步骤S1中梯形溢流坝渠道相同的物理模型，并将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；
在将物理模型进行网格剖分时采用不同尺度网格，得到若干不同的网格方案，若干不同的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。
进一步的，步骤S4中：H0的表达式：H0=h+v2/2g；h为梯形溢流坝的坝上水头，v为渠道中平均流速；
渠道中平均流速v的表达式为v=Q/(h+hL)b，h+ hL为梯形溢流坝上游水深Hp；
ξ的表达式为H0/(H0+Lc)；上游坡度θu的表达式为θu=atcan(hL/Hu)；下游坡度θd的表达式为θd=atcan(hL/Hd)，θ单位为rad。
进一步的，步骤S5中：对不同几何条件的梯形溢流坝进行计算流体动力学计算，具体为：
给定坝顶高度hL的梯形溢流坝，在任意上游坡度θu、下游坡度θd和坝顶宽度Lc条件下，输出梯形溢流坝渠道流量Qp条件下数值模拟时梯形溢流坝上游水深Hp以确定相对坝顶宽度ξ，再根据步骤S4梯形溢流坝的流量Q表达式Q=Cdb(2gH0 3)1/2求得梯形溢流坝流量系数Cd；即每一个上游坡度θu、下游坡度θd、坝顶宽度Lc和梯形溢流坝渠道流量Qp均对应一个相对坝顶宽度ξ和溢流坝流量系数Cd。
进一步的，步骤S5中：对梯形溢流坝进行计算流体动力学计算，梯形溢流坝的上游坡度θu和下游坡度θd的陡度均不低于1:1，并且梯形溢流坝的下游水流状态始终为自由出流。
进一步的，步骤S5在梯形溢流坝渠道进行计算流体动力学计算中采用步骤S3中输出的对应的数值模拟方法。
进一步的，步骤S6中：测得梯形溢流坝上游水深Hp，求解可得梯形溢流坝的流量Q，具体步骤为：
将步骤S5得到的梯形溢流坝流量系数表达式代入步骤S4梯形溢流坝的流量Q表达式，得到梯形溢流坝的流量Q的表达式为：
；
将坝顶宽度Lc、坝顶高度hL、上游坡度θu和下游坡度θd的梯形溢流坝安置在给定渠道宽度b中，测得梯形溢流坝上游水深Hp，转换成梯形溢流坝上游总能量水头H0，即H0=(Q/b/Hp)2/2g+(Hp-hL)，再将中H0全部替换为(Q/b/Hp)2/2g+(Hp-hL)，则/>的等号两侧将变为只有梯形溢流坝的流量Q未知的非线性表达式，求解可得梯形溢流坝的流量。
本发明的有益效果：本发明通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，能够简便、准确和合理地预测梯形溢流坝的实时流量，优化了水利工程中布置梯形溢流坝的规划合理性，显著提高了水利工程管理部门防洪排涝的决策效率，有效保证了灌区作物的灌溉水保证率。
附图说明
图1为梯形溢流坝渠道结构侧视图示意图；
图2为梯形溢流坝渠道结构平面图示意图；
图3为物理试验和数值模拟中梯形溢流坝上游渠道纵对称断面上水深对比图；
图4为下游坡度为1:1且上游坡度为1:1, 1:2和1:3条件下流量系数Cd与相对坝顶宽度ξ的关系；
图5为下游坡度为1:2且上游坡度为1:1, 1:2和1:3条件下流量系数Cd与相对坝顶宽度ξ的关系；
图6为下游坡度为1:3且上游坡度为1:1, 1:2和1:3条件下流量系数Cd与相对坝顶宽度ξ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。
本发明的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，包括先对数值模拟的方法进行验证，通过对梯形溢流坝渠道缩尺后的物理模型进行数值计算和物理试验，并对梯形溢流坝渠道纵对称断面上、梯形溢流坝上游不同过流断面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梯形溢流坝渠道进行计算流体动力学计算并对提出的流量系数表达式进行非线性拟合得到准确的表达式常数系数，最后通过实时测得的原型梯形溢流坝上游水深预测出原型梯形溢流坝的实时流量。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梯形溢流坝进行计算以确定原型条件下梯形溢流坝的上游水深，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，能够准确地预测梯形溢流坝的实时流量。
实施例
本实施例的通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，具体步骤如下：
步骤S1：对缩尺的梯形溢流坝进行物理模型试验，建立梯形溢流坝渠道物理模型；
其缩尺的梯形溢流坝渠道几何长度L为10m，渠道宽度b为0.3m，缩尺的梯形溢流坝横跨渠道贯穿布置，在模型试验流量Qt为42L/s的条件下，测试沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流横断面对应水深hi，i为随机断面编号，此时梯形溢流坝的几何参数为：上游坝顶拐点到上游坝脚拐点的水平距离Hu为200mm，则上游坡度θu为1:2，下游坝顶拐点到下游坝脚拐点的水平距离Hd为200mm则下游坡度θd为1:2，坝顶宽度Lc为40mm和坝顶高度hL为100mm，物理模型试验时测得监测梯形溢流坝上游水位ht为0.3m（梯形溢流坝渠道结构如图1和图2所示）；
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为10，物理模型采用重力相似准则设计，角度比为1，流速比为λv=100.5=3.16，流量比λQ=102.5=316.23，糙率比λn=101/6=1.47。
在梯形溢流坝的上游逐渐增加模型试验流量至42L/s，在梯形溢流坝下游设置尾门并控制尾门的开度，同时监测梯形溢流坝上游水位ht和下游水位Tt，随着下游水位Tt逐渐上升，始终保证梯形溢流坝上游水位ht变化明显不超过1mm，以保证梯形溢流坝的下游水流状态始终为自由出流。
步骤S2：对步骤S1中缩尺的梯形溢流坝渠道物理模型进行数值计算，计算收敛后导出结果，通过计算流体动力学后处理软件进行后处理；在与步骤S1几何尺寸相同的梯形溢流坝的条件下，计算得到相同模型试验流量Qt条件下测得数值模拟时沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流横断面对应水深Hi，i与步骤S1中相对应；
数值计算时，先对步骤S1中梯形溢流坝渠道模型进行数值计算，建立梯形溢流坝渠道三维数值模型，并将梯形溢流坝渠道三维数值模型进行网格剖分，输出后缀名为.mesh的计算文件，再导入计算流体动力学软件Fluent进行数值计算，最后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，在上游坡度θu为1:2、下游坡度θd为1:2、坝顶宽度Lc为40mm、在与相同模型试验流量Qt =42L/s的条件下条件进行计算获得沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流横断面对应水深Hi；
再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，形成若干不同的数值模拟方法，那么通过不同数值模拟方法对缩尺的梯形溢流坝计算可得到不同的Hi数据集。
步骤S3：对步骤S2中数值模拟时对应水深Hi数据集与步骤S1中物理模型试验时对应水深hi数据集进行逐点对比，找到所有数值逐点相对误差绝对值均不超过η%的计算工况，即|Hi-hi|/hi≤2.5%，输出对应的数值模拟方法；图3为物理试验和数值模拟中梯形溢流坝上游渠道对称纵断面上水深对比图，其相对误差的绝对值均小于2.5%，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，湍流模型为可重整化群（RNG 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S4：根据梯形溢流坝的流量Q表达式Q=Cdb(2gH0 3)1/2得到梯形溢流坝流量系数Cd的表达式；其中b为渠道宽度，g为重力加速度，H0为梯形溢流坝上游总能量水头；A、B、C、k和/>为常数系数，ξ为相对坝顶宽度，θu表示上游坡度，θd表示下游坡度；
H0的表达式：H0=h+v2/2g；h为梯形溢流坝的坝上水头，v为渠道中平均流速；
渠道中平均流速v的表达式为v=Q/(h+hL)b，h+ hL为梯形溢流坝上游水深Hp；
ξ的表达式为H0/(H0+Lc)；上游坡度θu的表达式为θu=atcan(hL/Hu)；下游坡度θd的表达式为θd=atcan(hL/Hd)，θ单位为rad。
步骤S5：对不同几何条件的梯形溢流坝进行计算流体动力学计算，梯形溢流坝的上游坡度θu和下游坡度θd的陡度均不低于1:1，并且梯形溢流坝的下游水流状态始终为自由出流，拟对给定坝顶高度hL=1m的梯形溢流坝，在上游坡度为1:1,1:2和1:3、下游坡度为1:1,1:2和1:3和坝顶宽度Lc=1m，2m，3m，4m和5m条件下分别进行组合，采用单位体积1×1×1的六面体结构化网格，湍流模型为可重整化群（RNG 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，对梯形溢流坝进行计算流体动力学计算，输出梯形溢流坝渠道流量Qp=2m³/s，3m³/s, 5 m³/s, 7 m³/s, 9 m³/s, 11 m³/s, 12 m³/s, 14 m³/s和16 m³/s条件下数值模拟时梯形溢流坝上游水深Hp以确定原型条件下相对坝顶宽度ξ，然后根据步骤S4中梯形溢流坝流量Q表达式Q=Cdb (2gH0 3)1/2求得相应的流量系数Cd，如图4~图6所示为不同上游坡度θu和下游坡度θd条件下流量系数Cd与相对坝顶宽度ξ的关系，再结合任意上游坡度θu、下游坡度θd采用统计产品与服务解决方案SPSS软件对梯形溢流坝流量系数的表达式进行非线性拟合，得到常数系数A、B、C、k和/>的具体值，记为0.457、0.082、0.720、0.010和0.366，然后将系数具体值0.457、0.082、0.720、0.010和0.366反带入流量系数的表达式得到流量系数表达式Cd=0.457+0.082sin[π(ξ-0.720)+( 0.010θu+0.366θd)]；
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常数系数A、B、C、k和的具体值。
步骤S6：将步骤S5得到的梯形溢流坝流量系数表达式代入步骤S4梯形溢流坝的流量Q表达式，得到梯形溢流坝的流量Q的表达式为：
Q={0.457+0.082sin[π((H0/(H0+Lc)-0.720)+( 0.010θu+0.366θd)]}×b×(2gH0 3)1/2；
假设将坝顶宽度Lc=1m、上游坡度和下游坡度均为1:3和坝顶高度hL=1m的梯形溢流坝安置在渠道宽度为3m的渠道中，则θu=θd=atctan(hL/Hu)=atctan1/3=0.32175以及坝顶宽度Lc=1m的梯形溢流坝，代入梯形溢流坝的流量Q的表达式简化得到该梯形溢流坝的流量Q随梯形溢流坝上游总能量水头H0变化的表达式Q=3×{0.457+0.082sin[π((H0/(H0+1)-0.720)+0.012]}× (2gH0 3)1/2；
那么假设实时测得梯形溢流坝上游总能量水头H0=2m时，即可求得梯形溢流坝的实时流量17.21m³/s；
或者实时测得梯形溢流坝上游水深Hp=2.8m，则将其可转换成梯形溢流坝上游总能量H0=(Q/B/Hp)2/2g+(Hp-hL)=0.006Q2+1.8带入Q=3×(0.457+0.082sin(π[H0/(1+H0)-0.720]+0.012))×(2gH0 3)1/2，则得到Q=3×(0.457+0.082sin(π((0.006Q2+1.8)/( 0.006Q2+2.8)-0.72)+0.012))×(19.62×(0.006Q2+1.8)3)1/2，等号两侧仅有梯形溢流坝流量Q未知，通过求解可求得梯形溢流坝的实时流量5.71m³/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 (10)

1.一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：对缩尺的梯形溢流坝进行物理模型试验，建立梯形溢流坝渠道物理模型；在模型试验流量Qt条件下测得物理模型试验时，沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流断面水深hi；
步骤S2：对步骤S1中建立的梯形溢流坝渠道物理模型进行数值计算，计算收敛后导出结果，通过计算流体动力学后处理软件进行后处理；在与步骤S1几何尺寸相同的梯形溢流坝的条件下，计算得到相同模型试验流量Qt条件下测得数值模拟时，沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流横断面对应水深Hi；
步骤S3：对步骤S2中数值模拟时对应水深Hi数据集与步骤S1中物理模型试验时对应水深hi数据集进行逐点对比，找到所有数值逐点相对误差绝对值均不超过η%的计算工况，即|Hi-hi|/hi≤η%，输出对应的数值模拟方法；
步骤S4：根据梯形溢流坝的流量Q表达式Q=Cdb(2gH0 3)1/2得到梯形溢流坝流量系数Cd的表达式；其中b为渠道宽度，g为重力加速度，H0为梯形溢流坝上游总能量水头；A、B、C、k和/>为常数系数，/>为相对坝顶宽度，θu表示上游坡度，θd表示下游坡度；
步骤S5：对不同几何条件的梯形溢流坝进行计算流体动力学计算，采用统计产品与服务解决方案SPSS软件对相对坝顶宽度，上游坡度θu，下游坡度θd和梯形溢流坝流量系数Cd进行非线性拟合，得到常数系数A、B、C、k和/>的具体值记为/>和/>，将常数系数具体值反代入梯形溢流坝流量系数Cd的表达式，得到梯形溢流坝流量系数表达式；
步骤S6：将步骤S5得到的梯形溢流坝流量系数表达式代入步骤S4梯形溢流坝的流量Q表达式，得到梯形溢流坝的流量Q的表达式为：
；
将坝顶宽度Lc、坝顶高度hL、上游坡度θu和下游坡度θd安置在梯形溢流坝给定渠道宽度b中，实时测得梯形溢流坝上游总能量水头H0，求得梯形溢流坝中的实时流量；或者测得梯形溢流坝上游水深Hp求解可得梯形溢流坝的流量Q。
2.根据权利要求1所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S1中对缩尺的梯形溢流坝进行物理模型试验，应保证梯形溢流坝的下游水流状态始终为自由出流，具体方法为：
在梯形溢流坝的上游逐渐增加模型试验流量Qt，在梯形溢流坝下游设置尾门并控制尾门的开度，同时监测梯形溢流坝上游水位ht和下游水位Tt，随着下游水位Tt逐渐上升，始终保证梯形溢流坝上游水位ht变化不超过1mm。
3.根据权利要求2所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S1中缩尺的梯形溢流坝渠道物理模型，具体参数为：
渠道几何长度为L，梯形溢流坝渠道横跨渠道贯穿布置；
梯形溢流坝几何参数为：坝顶高度hL，坝顶宽度Lc，上游坝顶拐点到上游坝脚拐点的水平距离为Hu，下游坝顶拐点到下游坝脚拐点的水平距离为Hd，其中上游坡度为上游坡度对应的坝顶高度hL与上游坝顶拐点到上游坝脚拐点的水平距离Hu的比值，下游坡度为下游坡度对应的坝顶高度hL与下游坝顶拐点到下游坝脚拐点的水平距离Hd的比值；
上游坡度和下游坡度的陡度均不低于1:1；
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/>，梯形溢流坝渠道流量/>。
4.根据权利要求3所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S1中物理模型试验时沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流断面水深hi，i为随机断面编号；对应的步骤S2中数值模拟时沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流横断面对应水深Hi ，i断面编号与步骤S1中相同。
5.根据权利要求4所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S2中梯形溢流坝进行数值计算，具体为：
建立与步骤S1中梯形溢流坝渠道相同的物理模型，并将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；
在将物理模型进行网格剖分时采用不同尺度网格，得到若干不同的网格方案，若干不同的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。
6.根据权利要求5所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S4中：H0的表达式：H0=h+v2/2g；h为梯形溢流坝的坝上水头，v为渠道中平均流速；
渠道中平均流速v的表达式为v=Q/(h+hL)b，h+ hL为梯形溢流坝上游水深Hp；
ξ的表达式为H0/(H0+Lc)；上游坡度θu的表达式为θu=atcan(hL/Hu)；下游坡度θd的表达式为θd=atcan(hL/Hd)，θ单位为rad。
7.根据权利要求6所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S5中：对不同几何条件的梯形溢流坝进行计算流体动力学计算，具体为：
给定坝顶高度hL的梯形溢流坝，在任意上游坡度θu、下游坡度θd和坝顶宽度Lc条件下，输出梯形溢流坝渠道流量Qp条件下数值模拟时梯形溢流坝上游水深Hp以确定相对坝顶宽度ξ，再根据步骤S4梯形溢流坝的流量Q表达式Q=Cdb(2gH0 3)1/2求得梯形溢流坝流量系数Cd；即每一个上游坡度θu、下游坡度θd、坝顶宽度Lc和梯形溢流坝渠道流量Qp均对应一个相对坝顶宽度ξ和溢流坝流量系数Cd。
8.根据权利要求7所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S5中：对梯形溢流坝进行计算流体动力学计算，梯形溢流坝的上游坡度θu和下游坡度θd的陡度均不低于1:1，并且梯形溢流坝的下游水流状态始终为自由出流。
9.根据权利要求8所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S5在梯形溢流坝渠道进行计算流体动力学计算中采用步骤S3中输出的对应的数值模拟方法。
10.根据权利要求9所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S6中：测得梯形溢流坝上游水深Hp，求解可得梯形溢流坝的流量Q，具体步骤为：
将步骤S5得到的梯形溢流坝流量系数表达式代入步骤S4梯形溢流坝的流量Q表达式，得到梯形溢流坝的流量Q的表达式为：
；
将坝顶宽度Lc、坝顶高度hL、上游坡度θu和下游坡度θd的梯形溢流坝安置在给定渠道宽度b中，测得梯形溢流坝上游水深Hp，转换成梯形溢流坝上游总能量水头H0，即，再将/>中H0全部替换为/>，则/>等号两侧将变为只有梯形溢流坝的流量Q未知的非线性表达式，求解可得梯形溢流坝的流量。
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