CN117454724A - 一种通过cfd确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法，包括先对数值模拟的方法进行验证，对护城河式防洪堤坝渠道同时进行物理模型试验和数值计算，通过对比关键参数得到满足计算精度要求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原型护城河式防洪堤坝渠道进行数值模拟，通过关键指标对比确定护城河式防洪堤坝渠道关键几何参数。在数值计算时，引入云计算以提高模拟精度和效率。本发明能够准确合理地确定护城河式防洪堤坝的几何参数，显著提高防洪堤坝的消能效率的同时有效降低护城河防洪堤坝的工程造价。

Description

一种通过CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法

技术领域

本发明属于流体动力学领域，具体涉及一种通过CFD确定护城河式防洪堤几何尺寸的方法。

背景技术

近年来，由于全球气候变化和恶劣的天气条件，洪水事件变得更加频繁地发生。研究者提出了一种多结构组成的复合防御体系，包括植被与堤岸组合、堤坝与护城河组合、双堤坝、堤坝与墩桩组合等多线防御策略。在这些措施中，植被与堤岸的配合有利于通过水跃缓解洪水能量，但是植被层也会受洪水的不断侵蚀而遭受破坏；而双堤坝方案中，前一个堤坝确实为后一个堤坝提供了阻力并降低了洪水能量，但是随着洪水的冲刷，第二个堤坝（一般为土石坝）存在冲毁的风险；堤坝与墩桩组合中，虽然墩桩能降低洪水能量，但是建设固定式墩桩由于占用耕地或阻挡交通而显得很不经济，尽管可将墩桩改为抛石、块石等混凝土块，又可能被洪水冲到下游而对下游水利工程结构或房屋建筑造成干扰甚至破坏。然而，护城河与堤坝的组合中，护城河中的水体似于下游水垫层，可以有效降低流体作用力和溢流体积，从而显著减小底部流速，实现耗散洪水能量目的以保护消力池底部。但是，护城河结构（水垫）作为一种对抗由堤坝溢流和溃坝引起的洪灾的对策并没有得到全面的研究，尤其是护城河式防洪堤坝几何尺寸的确定。由于护城河式防洪堤坝的几何尺寸不仅影响着防冲消能的效率，更直接决定了此类水利工程的造价，因此需要通过先进的技术手段合理确定这些工程关键参数。

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确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法。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确定护城河式防洪堤坝的几何参数。因此，如何利用计算流体动力学（CFD）方法来合理确定护城河式堤坝的几何尺寸是一个非常值得研究的课题，它将有效指导实际工程中护城河式防洪堤坝的设计与优化。

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CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法，能够简便、合理地确定护城河式防洪堤坝的几何布置，在显著提高防洪堤坝的消能效率的同时，有效降低了护城河防洪堤坝的工程造价。

本发明的技术方案：一种通过CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法，包括以下步骤：

步骤S1：对缩尺的护城河式防洪堤坝流场进行物理模型试验，建立缩尺的护城河式防洪堤坝渠道物理模型，物理模型试验时，测得护城河式防洪堤坝渠道对称纵断面上、堤坝上游不同过流横断面水深h_i；测得护城河式防洪堤坝渠道中护城河内水跃形态及河道中心对称面矢量分布；

步骤S2：对缩尺的护城河式防洪堤坝渠道物理模型进行数值计算，数值模拟时测得护城河式防洪堤坝渠道对称纵断面上、堤坝上游不同过流横断面对应水深H_i；

步骤S3：对数值模拟时对应水深H_i数据集与物理模型试验时水深h_i数据集进行逐点对比，找到数据集中所有相对误差绝对值均不超过η%的计算工况，即|H_i-h_i|/h_i≤η%，输出满足水深模拟精度要求的数值模拟方法；

步骤S4：对步骤S1中缩尺的护城河式防洪堤坝渠道物理模型进行数值计算，采用步骤S3中输出满足水深模拟精度要求的数值模拟方法，输出护城河式防洪堤坝渠道中对应的护城河内水跃形态以及河道中心对称面矢量分布；

步骤S5：对步骤S4中数值模拟时护城河内水跃形态以及河道中心对称面矢量分布中找到与物理模型试验时护城河内水跃形态及河道中心对称面矢量分布相同的数值模拟方案，输出对应的满足护城河内水跃形态及河道中心对称面矢量分布模拟精度要求的数值模拟方法；

步骤S6：确定护城河式防洪堤坝下游护城河深度D_m的值；

步骤S7：确定护城河式防洪堤坝下游护城河长度L_m的值；

步骤S8：确定护城河式防洪堤坝的下游坡度θ_d的值；

步骤S9：确定护城河式防洪堤坝的上游坡度θ_u的值；

步骤S10：确定护城河式防洪堤坝的坝顶宽度L_w；

步骤S11：确定护城河式防洪堤坝的堤坝高度h_L。

进一步的，步骤S1中建立缩尺的护城河式防洪堤坝渠道物理模型，测得关键参数还包括有；坝顶对称断面处水深Y_c，下游尾水断面处水深Y_t，坝顶对称断面与下游尾水断面间距M；

其中，护城河式防洪堤坝几何参数为：堤坝高度h_L，坝顶宽度L_w，上游坡度θ_u，下游坡度θ_d，在堤坝正下游护城河长度为L_m和深度为D_m，上游坝顶拐点到上游坝脚拐点的水平距离为H_u，下游坝顶拐点到下游坝脚拐点的水平距离为H_d，其中上游坡度θ_u为上游坡度对应的堤坝高度h_L与水平距离H_u的比值，下游坡度θ_d为下游坡度对应的堤坝高度h_L与水平距离H_d的比值；

其中，具体参数为：

渠道几何长度为L，渠道宽度为B，护城河式防洪堤坝横跨渠道贯穿布置；

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λ_l，物理模型采用重力相似准则设计，角度比λ_γ，流速比λ_v=λ_l ^0.5，流量比λ_Q=λ_l ^2.5，糙率比λ_n=λ_l ^1/6，护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p=λ_Q×Q_t。

进一步的，步骤S1中建立缩尺的护城河式防洪堤坝渠道物理模型，物理模型试验具体步骤为：

步骤S101：给定任意模型试验流量Q_t，待缩尺的护城河式防洪堤坝渠道中水流稳定后，依次测得护城河式防洪堤坝渠道对称纵断面上、堤坝上游不同过流横断面水深h_i，i为不同过流断面的编号；

步骤S102：改变模型试验流量Q_t，同时分别改变上游坡度θ_u，下游坡度θ_d，下游护城河长度L_m和深度D_m，测得不同工况下坝顶对称断面处水深Y_c，下游尾水断面处水深Y_t，并通过高速相机摄像得到护城河内水跃形态，以及通过粒子图像测速仪PIV测得河道中心对称面矢量分布；

步骤S103：分别改变上游坡度θ_u，下游坡度θ_d，下游护城河长度L_m和深度D_m，具体方法为：

保持下游坡度θ_d，下游护城河长度L_m和深度D_m不变，仅改变上游坡度θ_u，或保持上游坡度θ_u，下游护城河长度L_m和深度D_m不变，仅改变下游坡度θ_d，或保持上游坡度θ_u，下游坡度θ_d，下游护城河深度D_m不变，仅改变下游护城河长度L_m，或保持改变上游坡度θ_u，下游坡度θ_d，下游护城河长度L_m不变，仅改变下游护城河深度D_m。

进一步的，步骤S6中确定原型护城河式防洪堤坝下游护城河深度D_m的值；具体为：

对护城河式防洪堤坝高度h_L，坝顶宽度L_w，上游坡度θ_u，下游坡度θ_d，护城河长度L_m在合理范围内进行任意取值，在相同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p条件下，分别对a个不同深度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，当坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE达到最大时，输出对应的护城河深度D_m为确定值，记作D^* _m；

护城河深度D^* _m的具体确定步骤为：

步骤S61：a个不同深度的护城河式防洪堤坝渠道得到a个不同护城河深度D_m，具体值记为χ，即护城河深度值χ₁, χ₂, χ₃,…, χ_a，其中护城河深度值χ₁, χ₂, χ₃,…, χ_a逐渐增大，即χ₁＜ χ₂＜ χ₃＜…＜ χ_a，对a个不同深度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，分别输出坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE₁,ΔE₂,ΔE₃,…, ΔE_a；

步骤S62：当能量差的比值ΔE₁=ΔE₂=ΔE₃=…= ΔE_a时，则以Δχ的间距减小χ₁分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE发生减小时，输出前一次数值模拟对应的护城河深度，即第k₁次计算时发生能量差的比值ΔE减小，则确定的护城河深度D^* _m为χ₁-（k₁-1）×Δχ；

步骤S63：当a个不同护城河深度的具体值χ对应的能量差的比值存在波动，即ΔE₁=ΔE₂=ΔE₃=…=ΔE_o＜ΔE_o+1=…= ΔE_a，ΔE_o对应的护城河深度为χ_o，则以Δχ的间距增大χ_o分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE与ΔE_o+1相等时，输出当前数值模拟对应的护城河深度，即第k₂次计算得到的能量差的比值ΔE与ΔE_o+1相等时，则确定的护城河深度D^* _m为χ_o+k₂×Δχ；

步骤S64：当a个不同护城河深度的具体值χ对应的能量差的比值单调递增，即ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ ΔE_a，则以Δχ的间距增大χ_a分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE发生相等时，输出前一次数值模拟对应的护城河深度，即第k₃次计算时发生能量差的比值ΔE相等，则确定的护城河深度D^* _m为χ_a+（k₃-1）×Δχ。

进一步的，步骤S7中确定原型护城河式防洪堤坝下游护城河长度L_m的值；具体为：

给定步骤S6中确定的护城河深度D^* _m，对护城河式防洪堤坝高度h_L，坝顶宽度L_w，上游坡度θ_u，下游坡度θ_d在合理范围内进行任意取值，在相同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p条件下，分别对b个不同护城河长度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，当坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE达到最大时，输出对应的护城河长度L_m为确定值，记作L^* _m；

护城河长度L^* _m的具体确定步骤为：

步骤S71：b个不同长度的护城河式防洪堤坝渠道得到b个不同护城河长度L_m，具体值记为ζ，即护城河长度值ζ₁, ζ₂, ζ₃,…, ζ_b，其中ζ₁, ζ₂, ζ₃,…, ζ_b逐渐增大，即ζ₁＜ ζ₂＜ ζ₃＜…＜ ζ_b，对b个不同长度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，分别输出坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE₁, ΔE₂, ΔE₃,…,ΔE_b；

步骤S72：当能量差的比值ΔE₁=ΔE₂=ΔE₃=…= ΔE_b时，则以Δζ的间距减小ζ₁分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE发生减小时，输出前一次数值模拟对应的护城河长度，即第m₁次计算时发生能量差的比值ΔE减小，则确定的护城河长度L^* _m为ζ₁-（m₁-1）×Δζ；

步骤S73：当b个不同护城河长度的ζ对应的能量差的比值ΔE存在波动，即ΔE₁=ΔE₂=ΔE₃=…=ΔE_o＜ΔE_o+1=…= ΔE_b，ΔE_o对应的护城河长度为ζ_o，则以Δζ的间距增大ζ_o分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE与ΔE_o+1相等时，输出当前数值模拟对应的护城河长度，即第m₂次计算得到的能量差的比值ΔE与ΔE_o+1相等时，则确定的护城河长度L^* _m为ζ_o+m₂×Δζ；

步骤S74：当b个不同护城河深度的ζ对应的能量差的比值单调递增，即ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ ΔE_b，则以Δζ的间距增大ζ_b分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE发生相等时，输出前一次数值模拟对应的护城河长度，即第m₃次计算时发生能量差的比值ΔE相等，则确定的护城河长度L^* _m为ζ_b+（m₃-1）×Δζ。

进一步的，步骤S8中确定原型护城河式防洪堤坝的下游坡度θ_d的值；具体为：

给定步骤S6中确定的护城河深度D^* _m和步骤S7中确定的护城河长度L^* _m，对护城河式防洪堤坝坝高度h_L，坝顶宽度L_w，上游坡度θ_u在合理范围内进行任意取值，在不同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p条件下分别对c个不同下游坡度θ_d的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，当坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE达到最大时，输出对应的护城河下游坡度θ_d为确定值，记作θ^* _d；

护城河下游坡度θ^* _d的具体确定步骤为：

步骤S81：c个不同下游坡度的护城河式防洪堤坝渠道得到c个不同下游坡度θ_d，具体值记为п，即护城河下游坡度值п₁, п₂, п₃,…, п_c，其中п₁, п₂, п₃,…, п_c逐渐增大，即п₁＜ п₂＜ п₃＜…＜ п_c，其中п₁是下游坡度θ_d允许范围的最小值，п_c是下游坡度θ_d允许范围的最大值，对c个下游坡度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，分别输出坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE₁, ΔE₂, ΔE₃,…, ΔE_c；

步骤S82：当能量差的比值单调递增时，即ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ ΔE_c，则输出ΔE_c对应的п_c为最终的下游坡度值θ^* _d；

步骤S83：当能量差的比值单调递减时，即ΔE₁＞ΔE₂＞ΔE₃＞…＞ ΔE_c，则输出ΔE₁对应的п₁为最终的下游坡度值θ^* _d。

进一步的，步骤S9中确定原型护城河式防洪堤坝的上游坡度θ_u的值；具体为：

给定步骤S6中确定的护城河深度D^* _m、步骤S7中确定的护城河长度L^* _m和步骤S8中确定的下游坡度值θ^* _d，对护城河式防洪堤坝坝高度h_L，坝顶宽度L_w在合理范围内进行取值，在不同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p条件下分别对e个不同上游坡度θ_u的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，当坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE达到最大时，输出对应的护城河上游坡度θ_u为确定值，记作θ^* _u；

护城河上游坡度θ^* _u的具体确定步骤为：

步骤S91：e个不同上游坡度的护城河式防洪堤坝渠道得到e个不同上游坡度θ_u，具体值记为δ，即护城河上游坡度值δ₁, δ₂, δ₃,…, δ_e，其中δ₁, δ₂, δ₃,…, δ_e逐渐增大，即δ₁＜δ₂＜δ₃＜…＜δ_e，其中δ₁是上游坡度θ_u允许范围的最小值，δ_e是上游坡度θ_u允许范围的最大值，对e个上游坡度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，分别输出坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE₁, ΔE₂, ΔE₃,…, ΔE_e；

步骤S92：当能量差的比值单调递增时，即ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ΔE_e，则输出ΔE_e对应的δ_e为最终的下游坡度值θ^* _u；

步骤S93：当能量差的比值单调递减时，即ΔE₁＞ΔE₂＞ΔE₃＞…＞ΔE_e，则输出ΔE₁对应的δ₁为最终的下游坡度值θ^* _u。

进一步的，步骤S10中确定原型护城河式防洪堤坝的坝顶宽度L_w；具体为：

给定步骤S6中确定的护城河深度D^* _m、步骤S7中确定的护城河长度L^* _m、步骤S8中确定的下游坡度值θ^* _d和步骤S9中确定的上游坡度值θ^* _u，对护城河式防洪堤坝坝高度h_L在合理范围内进行取值，在不同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p条件下分别对f个不同坝顶宽度L_w的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，当坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE达到最大时，输出对应的坝顶宽度L_w为确定值，记作L^* _w；

防洪堤坝的坝顶宽度L^* _w的具体确定步骤为：

步骤S111：f个不同坝顶宽度的护城河式防洪堤坝渠道得到f个不同坝顶宽度L_w，具体值记为p，即护城河上游坡度值p₁, p₂, p₃,…, p_f，其中p₁, p₂, p₃,…, p_f逐渐增大，即p₁＜p₂＜p₃＜…＜p_f，其中p₁是坝顶宽度L_w允许范围的最小值，p_f是坝顶宽度L_w允许范围的最大值，对f个坝顶宽度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，分别输出坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE₁, ΔE₂, ΔE₃,…, ΔE_f；

步骤S112：当能量差的比值ΔE₁=ΔE₂=ΔE₃=…=ΔE_f时，则以Δp的间距减小p₁分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE发生减小时，输出前一次数值模拟对应的护城河长度，即第j₁次计算时发生能量差的比值ΔE减小，则确定的防洪堤坝的坝顶宽度L^* _w为p₁-（j₁-1）×Δp；

步骤S113：当o个不同坝顶宽度的p对应的能量差的比值单调递增，而剩余的j-o个不同坝顶宽度的p对应的能量差的比值相等，假设其中一种情况为ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ΔE_o＜ΔE_o+1=…= ΔE_f，则以Δp的间距减小p_o+1分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE发生减小时，输出前一次数值模拟对应的护城河长度，即第j₂次计算时发生能量差的比值ΔE减小，则确定的防洪堤坝的坝顶宽度L^* _w为p_o+1-（j₂-1）×Δp；

步骤S114：当f个不同长度的p对应的能量差的比值单调递增，即ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ΔE_f，则以Δp的间距增大p_f分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE发生相等时，输出前一次数值模拟对应的护城河长度，即第j₃次计算时发生能量差的比值ΔE相等，则确定的防洪堤坝的坝顶宽度L^* _w为p_f+（j₃-1）×Δp。

进一步的，步骤S11：确定原型护城河式防洪堤坝的堤坝高度h_L；具体为：

给定步骤S6中确定的护城河深度D^* _m、步骤S7中确定的护城河长度L^* _m、步骤S8中确定的下游坡度值θ^* _d、步骤S9中确定的上游坡度值θ^* _u和步骤S10中确定的坝顶宽度L^* _w，在不同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p条件下分别对s个不同堤坝高度h_L的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，当坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE达到最大时，输出对应的堤坝高度h_L为确定值，记作h^* _L；

防洪堤坝的堤坝高度h^* _L的具体确定步骤为：

步骤S115：s个不同堤坝高度的护城河式防洪堤坝渠道得到s个不同堤坝高度h_L，具体值记为，即护城河上游坡度值/>, />, />,…, />，其中/>, />, />,…, />逐渐增大，即/>＜/>＜/>＜…＜/>，其中/>是堤坝高度h_L允许范围的最小值，/>是堤坝高度h_L允许范围的最大值，对s个堤坝高度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，分别输出坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE₁, ΔE₂, ΔE₃,…, ΔE_s；

步骤S116：当能量差的比值单调递增时，即ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ΔE_s，则输出ΔE_s对应的为确定防洪堤坝的堤坝高度，记作h^* _L；

步骤S117：当能量差的比值单调递减时，即ΔE₁＞ΔE₂＞ΔE₃＞…＞ΔE_c，则输出ΔE₁对应的为确定防洪堤坝的堤坝高度，记作h^* _L。

进一步的，步骤S6-步骤S11中，坝顶对称断面A-A与下游尾水断面Z-Z之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE，计算方法为：

先计算坝顶对称断面A-A流速V_A为渠道流量Q除以坝顶对称断面A-A过流面积，坝顶对称断面A-A过流面积为坝顶对称断面处水深Y_c与渠道宽度B的乘积，则V_A=Q/(Y_c×B)，那么坝顶对称断面A-A的总能量为E_A=V_A²/2g+Y_c+h_L；

再计算下游尾水断面Z-Z流速V_Z为渠道流量Q除以下游尾水断面Z-Z过流面积，下游尾水断面Z-Z过流面积为下游尾水断面处水深Y_t与渠道宽度B的乘积，则V_Z= Q/(Y_t×B)，那么下游尾水断面Z-Z的总能量为E_Z=V_Z²/2g+Y_t；

最后计算坝顶对称断面A-A与下游尾水断面Z-Z之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值，简称能量差的比值ΔE，ΔE=(E_A-E_Z)/ E_A。

进一步的，步骤S2中对缩尺的护城河式防洪堤坝渠道物理模型进行数值计算，计算收敛后导出结果，通过CFD后处理软件进行后处理；对缩尺的护城河式防洪堤坝渠道进行数值模拟计算，具体为：

建立与步骤S1中缩尺的护城河式防洪堤坝渠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CFD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。

进一步的，步骤S6，步骤S7，步骤S8，步骤S9，步骤S10，步骤S11中采用的数值模拟方法与步骤S5输出的满足水跃及矢量分布模拟精度要求的数值模拟方法相同。

进一步的，步骤S6，步骤S7，步骤S8，步骤S9，步骤S10，步骤S11，在护城河式防洪堤渠道原型进行计算流体动力学CFD计算中引入云计算技术。

本发明的有益效果：本发明通过CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法，能够简便、准确地确定护城河式防洪堤坝的几何参数，提高了水利工程中布置护城河式防洪堤坝的规划合理性，可以大量节省建造护城河式防洪堤坝的工程造价，又有效地避免了护城河式防洪堤坝下游区域的洪水破坏。

附图说明

图1为护城河式防洪堤坝渠道结构立面示意图；

图2为护城河式防洪堤坝渠道结构平面示意图；

图3为物理试验和数值模拟中护城河式防洪堤坝上游渠道对称纵断面上水深对比图；

图4为数值模拟中护城河式防洪堤坝渠道中护城河内水跃形态及河道中心对称面矢量分布；（a）河道中心对称面矢量分布；（b）护城河内水跃形态；

图5能量差的比值ΔE随不同防洪堤坝下游护城河深度D_m的变化关系；

图6能量差的比值ΔE随不同防洪堤坝下游护城河长度L_m的变化关系；

图7能量差的比值ΔE随不同防洪堤坝的下游坡度θ_d的变化关系；

图8能量差的比值ΔE随不同防洪堤坝的上游坡度θ_u的变化关系；

图9能量差的比值ΔE随不同防洪堤坝的坝顶宽度L_w的变化关系；

图10能量差的比值ΔE随不同防洪堤坝的堤坝高度h_L的变化关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明的通过CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法，包括先对数值模拟的方法进行验证，通过对护城河式防洪堤坝渠道缩尺后的物理模型进行数值计算和物理试验，并对护城河式防洪堤坝渠道上游不同过流断面的水深、护城河内水跃形态和渠道纵断面速度矢量分布进行采集与对比，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护城河式防洪堤坝渠道进行计算流体动力学计算，通过比较坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值的大小，将能量差的比值最大时的几何参数确定为最终尺寸。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护城河式防洪堤坝进行计算以确定原型条件下护城河式防洪堤坝几何参数，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，能够准确地确定护城河式防洪堤坝几何参数。

实施例1

本实施例的通过CFD确定原型护城河式防洪堤坝几何参数的方法，具体步骤如下：

步骤S1：对缩尺的护城河式防洪堤坝渠道进行物理模型试验，建立护城河式防洪堤坝渠道物理模型；

其护城河式防洪堤坝渠道几何长度L为10m，渠道宽度B为0.5m，上游坡度θ_u为1:2，下游坡度θ_d为1:2或1:3，坝顶宽度L_w为40mm，坝顶高度h_L为100mm，下游护城河长度L_m为350mm，下游护城河深度D_m为50mm，坝顶对称断面为A-A，下游尾水断面为Z-Z，坝顶对称断面A-A与下游尾水断面Z-Z之间的距离M为7m，分别进行两个物理模型试验；其一，在模型试验流量Qt为42L/s的条件下，测试沿堤坝渠道纵对称断面上、堤坝上游不同过流横断面对应水深h_i，此时护城河式防洪堤坝渠道的几何参数：上游坡度θ_u为1:2、下游坡度θ_d为1:2、坝顶宽度L_w为40mm、顶高度h_L为100mm、下游无护城河的条件下进行；其二，在模型试验流量Qt为42L/s的条件下，通过高速相机采集护城河内水跃形态和通过粒子图像测速仪（PIV）采集渠道中心对称面矢量分布，是在上游坡度θ_u为1:2、下游坡度θ_d为1:3、坝顶宽度L_w为40mm、顶高度h_L为100mm、游护城河长度为350mm、护城河深度为50mm的条件下进行（护城河式防洪堤坝渠道结构如图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λ_v=10^0.5=3.16，流量比λ_Q=10^2.5=316.23，糙率比λ_n=10^1/6=1.47。

步骤S2：对步骤S1中缩尺的护城河式防洪堤坝渠道模型进行数值计算，建立缩尺的护城河式防洪堤坝渠道三维数值模型，并将护城河式防洪堤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，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，在上游坡度θ_u为1:2、下游坡度θ_d为1:2、坝顶宽度L_w为40mm、下游无护城河的条件下在相同模型试验流量Qt条件进行计算获得沿堤坝渠道纵对称断面上、堤坝上游不同过流横断面对应水深H_i；

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S3：对步骤S2中得到的数值模拟时模型护城河式防洪堤坝渠道纵对称断面上、堤坝上游不同过流横断面对应水深H_i数据集与步骤S1中物理模型试验时模型护城河式防洪堤坝渠道纵对称断面上、堤坝上游不同过流横断面对应水深h_i数据集进行逐点对比，找到所有数值模拟中堤坝上游水深H_i与物理模型试验中堤坝上游水深h_i相对误差绝对值均不超过2.5%的计算工况，即|H_i-h_i|/h_i≤2.5%时，输出满足水深模拟精度要求的数值模拟方法。图3为物理试验和数值模拟中护城河式防洪堤坝上游渠道纵对称断面上水深对比图（此处仅展示其中1种情况），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。

步骤S4：对步骤S1中缩尺的护城河式防洪堤坝渠道模型进行数值计算，护城河式防洪堤坝几何尺寸分别与步骤S1第二个物理模型试验几何参数中相同，其上游坡度θ_u为1:2、下游坡度θ_d为1:3、坝顶宽度L_w为40mm、坝顶高度h_L为100mm、游护城河长度为350mm、护城河深度为50mm，数值模拟方法分别采用步骤S3输出的满足水深精度的数值模拟方法，输出数值模拟对应的护城河内水跃形态以及河道中心对称面矢量分布。

步骤S5：对步骤S4中得到数值模拟时模型护城河式防洪堤坝渠道中护城河内水跃形态以及河道中心对称面矢量分布与步骤S1中物理模型试验护城河式防洪堤坝渠道中护城河内水跃形态及河道中心对称面矢量分布最相近的1种数值模拟方案（如图4所示），输出对应的满足水跃及矢量分布模拟精度要求的数值模拟方法，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S6：确定原型护城河式防洪堤坝下游护城河深度D_m的值；

对护城河式防洪堤坝坝高度h_L为1m，坝顶宽度L_w为0.4m，上游坡度θ_u为1:2，下游坡度θ_d为1:2，护城河长度L_m为2.5m，在相同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p为λ_Q×Q_t=316.23×0.042=13.28m³/s（Q_p计算方式，下同）条件下分别对8个不同护城河长度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，分别计算坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE，以其中一种情况说明能量差的比值ΔE的计算方法，当护城河深度值χ取0.30m时，A-A断面坝上水深为1.86m，流速为1.43m/s，总能头E_A为1.96m；Z-Z断面水深为0.69m，流速为3.87m/s，总能头E_Z为1.45m，那么则能量差的比值为(E_A-E_Z)/ E_A=（1.96-1.45）÷1.96=26%，逐一计算后发现属于“ΔE₁=ΔE₂=ΔE₃=…=ΔE_o＜ΔE_o+1=…= ΔE_a”的情况，此时χ_o=0.30m，取Δχ=0.05m，则发现当χ增大到0.35m时，与护城河深度为0.40m的能量差的比值趋于相等，共计增加1次，则χ_o+k₂×Δχ=0.30+1×0.05=0.35m，那么护城河式防洪堤坝下游护城河深度Dm取值为0.35m（如图5所示），图5中横坐标为护城河深度D_m，单位m，纵坐标为能量差的比值ΔE，单位(%)；

步骤S7：确定原型护城河式防洪堤坝下游护城河长度L_m的值；

给定步骤S6中确定的护城河长度D^* _m=0.35m，对护城河式防洪堤坝坝高度h_L为1m，坝顶宽度L_w为0.40m，上游坡度θ_u为1:2，下游坡度θ_d为1:2，在相同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p为13.28m³/s条件下分别对5个不同护城河长度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，发现属于“ΔE₁=ΔE₂=ΔE₃=…=ΔE_o＜ΔE_o+1=…= ΔE_b”的情况，此时ζ_o=1.20m，取Δζ=0.05m，则发现当ζ增大到1.50m时，与护城河长度为1.55mm的能量差的比值趋于相等，共计增加6次，则ζ_o+m₂×Δζ=1.20+6×0.05=1.50m，那么护城河式防洪堤坝下游护城河长度Lm取值为1.50m（如图6所示），图6中横坐标为护城河长度L_m，单位m，纵坐标为能量差的比值ΔE，单位(%)；

步骤S8：确定原型护城河式防洪堤坝的下游坡度θ_d的值；

给定步骤S6中确定的护城河深度D^* _m=0.35mm、步骤S7中确定的护城河长度L^* _m=1.50m，对护城河式防洪堤坝坝高度h_L为1.0m，坝顶宽度L_w为0.40mm，上游坡度θ_u为1:2，在7个不同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p为1.90~13.28m³/s条件下分别对3个不同下游坡度θ_d，即下游坡度分别为1:1, 1:2, 1:3的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，发现属于“ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ ΔE_c”的情况，即随着下游坡度的变缓，能量差的比值在增大，那么护城河式防洪堤坝的下游坡度θ_d的值取值为1:3（如图7所示），图7中横坐标为渠道流量Q_p的无量纲表示形式，表达式为Q_p/B/g^0.5/H_i^^1.5，无单位，纵坐标为能量差的比值ΔE，单位(%)；

步骤S9：确定原型护城河式防洪堤坝的上游坡度θ_u的值；

给定步骤S6中确定的护城河深度D^* _m=0.35m、步骤S7中确定的护城河长度L^* _m=1.50m和步骤S8中确定的下游坡度值θ^* _d=1:3，对护城河式防洪堤坝坝高度h_L为1.0m，坝顶宽度L_w为0.40m，在7个不同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p为1.90~13.28m³/s条件下分别对3个不同上游坡度θ_u，即上游坡度分别为1:1, 1:2, 1:3的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，发现属于“ΔE₁＞ΔE₂＞ΔE₃＞…＞ ΔE_e”的情况，即随着下游坡度的变陡，能量差的比值在增大，那么护城河式防洪堤坝的下游坡度θ_u的值取值为1:1（如图8所示），图8中横坐标为渠道流量Q_p的无量纲表示形式，表达式为Q_p/B/g^0.5/H_i^^1.5，无单位，纵坐标为能量差的比值ΔE，单位(%)；

步骤S10：确定原型护城河式防洪堤坝的坝顶宽度L_w；

给定步骤S6中确定的护城河深度D^* _m=0.35m、步骤S7中确定的护城河长度L^* _m=1.50m、步骤S8中确定的下游坡度值θ^* _d=1:3和步骤S9中确定的上游坡度值θ^* _u=1:1，对护城河式防洪堤坝坝高度h_L为1.0m，在7个不同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p为1.90~13.28m³/s条件下分别对3个不同坝顶宽度L_w，即坝顶宽度分别为0.40m, 0.60m, 0.80m的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，发现属于“ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ΔE_f”的情况，即随着坝顶宽度的变宽，能量差的比值在增大，则ΔE_f对应的坝顶宽度值p_f为0.80m，以0.20m为间隔逐渐增大，那么增加2次后发现坝顶宽度1.00m和1.20m的能量差的比值相等，那么护城河式防洪堤坝的坝顶宽度L_w的值取值为0.80+(2-1)×0.20=1.00m（如图9所示），图9中横坐标为渠道流量Q_p的无量纲表示形式，表达式为Q_p/B/g^0.5/H_i^^1.5，无单位，纵坐标为能量差的比值ΔE，单位(%)；

步骤S11：确定原型护城河式防洪堤坝的堤坝高度h_L；

给定步骤S6中确定的护城河深度D^* _m=0.35m、步骤S7中确定的护城河长度L^* _m=1.50m、步骤S8中确定的下游坡度值θ^* _d=1:3、步骤S9中确定的上游坡度值θ^* _u=1:1和步骤S10中确定的坝顶宽度L^* _w=1.00m，在7个不同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p为1.90~13.28m³/s条件下分别对3个不同堤坝高度h_L，即堤坝高度分别为1.00m, 1.50m, 2.00m的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，发现属于“ΔE₁＞ΔE₂＞ΔE₃＞…＞ ΔE_s”的情况，即随着堤坝高度的变低，能量差的比值在增大，则ΔE₁对应的坝顶高度值为1.00m，那么护城河式防洪堤坝的堤坝高度h^* _L的值取值为1.00m（如图10所示），图10中横坐标为渠道流量Q_p的无量纲表示形式，表达式为Q_p/B/g^0.5/H_i^^1.5，无单位，纵坐标为能量差的比值ΔE，单位(%)；

需要说明的是，步骤S6~步骤S11：对给定参数的护城河式防洪堤坝渠道原型进行计算流体动力学计算，对护城河式防洪堤坝渠道原型的计算方法，护城河式防洪堤坝渠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护城河式防洪堤坝渠道，其他计算方法不变，步骤S3和步骤S5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。在护城河式防洪堤坝渠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处理后得到的相同或不同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p条件下数值模拟时，不同几何参数对应护城河式防洪堤坝渠道的能量差的比值ΔE，结果如图5~图10所示；

那么，通过上述步骤确定了护城河式防洪堤坝几何参数，分别为：护城河式防洪堤坝下游护城河深度Dm取值为0.35m，护城河式防洪堤坝下游护城河长度Lm取值为1.50m，护城河式防洪堤坝的下游坡度θ_d的值取值为1:3，护城河式防洪堤坝的下游坡度θ_u的值取值为1:1，护城河式防洪堤坝的坝顶宽度L_w的值取值为1.00m，护城河式防洪堤坝的坝顶高度h^* _L的值取值为1.00m。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CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：对缩尺的护城河式防洪堤坝流场进行物理模型试验，建立缩尺的护城河式防洪堤坝渠道物理模型，物理模型试验时，测得护城河式防洪堤坝渠道对称纵断面上、堤坝上游不同过流横断面水深h_i；测得护城河式防洪堤坝渠道中护城河内水跃形态及河道中心对称面矢量分布；

步骤S2：对缩尺的护城河式防洪堤坝渠道物理模型进行数值计算，数值模拟时测得护城河式防洪堤坝渠道对称纵断面上、堤坝上游不同过流横断面对应水深H_i；

步骤S3：对数值模拟时对应水深H_i数据集与物理模型试验时水深h_i数据集进行逐点对比，找到数据集中所有相对误差绝对值均不超过η%的计算工况，即|H_i-h_i|/h_i≤η%，输出满足水深模拟精度要求的数值模拟方法；

步骤S4：对步骤S1中缩尺的护城河式防洪堤坝渠道物理模型进行数值计算，采用步骤S3中输出满足水深模拟精度要求的数值模拟方法，输出护城河式防洪堤坝渠道中对应的护城河内水跃形态以及河道中心对称面矢量分布；

步骤S5：对步骤S4中数值模拟时护城河内水跃形态以及河道中心对称面矢量分布中找到与物理模型试验时护城河内水跃形态及河道中心对称面矢量分布相同的数值模拟方案，输出对应的满足护城河内水跃形态及河道中心对称面矢量分布模拟精度要求的数值模拟方法；

步骤S6：确定护城河式防洪堤坝下游护城河深度D_m的值；

步骤S7：确定护城河式防洪堤坝下游护城河长度L_m的值；

步骤S8：确定护城河式防洪堤坝的下游坡度θ_d的值；

步骤S9：确定护城河式防洪堤坝的上游坡度θ_u的值；

步骤S10：确定护城河式防洪堤坝的坝顶宽度L_w；

步骤S11：确定护城河式防洪堤坝的堤坝高度h_L。

2.根据权利要求1所述的一种通过CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法，其特征在于：

步骤S1中建立缩尺的护城河式防洪堤坝渠道物理模型，测得关键参数还包括有；坝顶对称断面处水深Y_c，下游尾水断面处水深Y_t，坝顶对称断面与下游尾水断面间距M；

其中，护城河式防洪堤坝几何参数为：堤坝高度h_L，坝顶宽度L_w，上游坡度θ_u，下游坡度θ_d，在堤坝正下游护城河长度为L_m和深度为D_m，上游坝顶拐点到上游坝脚拐点的水平距离为H_u，下游坝顶拐点到下游坝脚拐点的水平距离为H_d，其中上游坡度θ_u为上游坡度对应的堤坝高度h_L与水平距离H_u的比值，下游坡度θ_d为下游坡度对应的堤坝高度h_L与水平距离H_d的比值；

其中，具体参数为：

渠道几何长度为L，渠道宽度为B，护城河式防洪堤坝横跨渠道贯穿布置；

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λ_l，物理模型采用重力相似准则设计，角度比λ_γ，流速比λ_v=λ_l ^0.5，流量比λ_Q=λ_l ^2.5，糙率比λ_n=λ_l ^1/6，护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p=λ_Q×Q_t。

3.根据权利要求2所述的一种通过CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法，其特征在于：

步骤S1中建立缩尺的护城河式防洪堤坝渠道物理模型，物理模型试验具体步骤为：

步骤S101：给定任意模型试验流量Q_t，待缩尺的护城河式防洪堤坝渠道中水流稳定后，依次测得护城河式防洪堤坝渠道对称纵断面上、堤坝上游不同过流横断面水深h_i，i为不同过流断面的编号；

步骤S102：改变模型试验流量Q_t，同时分别改变上游坡度θ_u，下游坡度θ_d，下游护城河长度L_m和深度D_m，测得不同工况下坝顶对称断面处水深Y_c，下游尾水断面处水深Y_t，并通过高速相机摄像得到护城河内水跃形态，以及通过粒子图像测速仪PIV测得河道中心对称面矢量分布；

步骤S103：分别改变上游坡度θ_u，下游坡度θ_d，下游护城河长度L_m和深度D_m，具体方法为：

保持下游坡度θ_d，下游护城河长度L_m和深度D_m不变，仅改变上游坡度θ_u，或保持上游坡度θ_u，下游护城河长度L_m和深度D_m不变，仅改变下游坡度θ_d，或保持上游坡度θ_u，下游坡度θ_d，下游护城河深度D_m不变，仅改变下游护城河长度L_m，或保持改变上游坡度θ_u，下游坡度θ_d，下游护城河长度L_m不变，仅改变下游护城河深度D_m。

4.根据权利要求3所述的一种通过CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法，其特征在于：步骤S6中确定原型护城河式防洪堤坝下游护城河深度D_m的值；具体为：

对护城河式防洪堤坝高度h_L，坝顶宽度L_w，上游坡度θ_u，下游坡度θ_d，护城河长度L_m在合理范围内进行任意取值，在相同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p条件下，分别对a个不同深度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，当坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE达到最大时，输出对应的护城河深度D_m为确定值，记作D^* _m；

护城河深度D^* _m的具体确定步骤为：

步骤S61：a个不同深度的护城河式防洪堤坝渠道得到a个不同护城河深度D_m，具体值记为χ，即护城河深度值χ₁, χ₂, χ₃,…, χ_a，其中护城河深度值χ₁, χ₂, χ₃,…, χ_a逐渐增大，即χ₁＜ χ₂＜ χ₃＜…＜ χ_a，对a个不同深度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，分别输出坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE₁,ΔE₂,ΔE₃,…, ΔE_a；

步骤S62：当能量差的比值ΔE₁=ΔE₂=ΔE₃=…= ΔE_a时，则以Δχ的间距减小χ₁分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE发生减小时，输出前一次数值模拟对应的护城河深度，即第k₁次计算时发生能量差的比值ΔE减小，则确定的护城河深度D^* _m为χ₁-（k₁-1）×Δχ；

步骤S63：当a个不同护城河深度的具体值χ对应的能量差的比值存在波动，即ΔE₁=ΔE₂=ΔE₃=…=ΔE_o＜ΔE_o+1=…= ΔE_a，ΔE_o对应的护城河深度为χ_o，则以Δχ的间距增大χ_o分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE与ΔE_o+1相等时，输出当前数值模拟对应的护城河深度，即第k₂次计算得到的能量差的比值ΔE与ΔE_o+1相等时，则确定的护城河深度D^* _m为χ_o+k₂×Δχ；

步骤S64：当a个不同护城河深度的具体值χ对应的能量差的比值单调递增，即ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ ΔE_a，则以Δχ的间距增大χ_a分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE发生相等时，输出前一次数值模拟对应的护城河深度，即第k₃次计算时发生能量差的比值ΔE相等，则确定的护城河深度D^* _m为χ_a+（k₃-1）×Δχ。

5.根据权利要求4所述的一种通过CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法，其特征在于：步骤S7中确定原型护城河式防洪堤坝下游护城河长度L_m的值；具体为：

给定步骤S6中确定的护城河深度D^* _m，对护城河式防洪堤坝高度h_L，坝顶宽度L_w，上游坡度θ_u，下游坡度θ_d在合理范围内进行任意取值，在相同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p条件下，分别对b个不同护城河长度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，当坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE达到最大时，输出对应的护城河长度L_m为确定值，记作L^* _m；

护城河长度L^* _m的具体确定步骤为：

步骤S71：b个不同长度的护城河式防洪堤坝渠道得到b个不同护城河长度L_m，具体值记为ζ，即护城河长度值ζ₁, ζ₂, ζ₃,…, ζ_b，其中ζ₁, ζ₂, ζ₃,…, ζ_b逐渐增大，即ζ₁＜ ζ₂＜ ζ₃＜…＜ ζ_b，对b个不同长度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，分别输出坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE₁, ΔE₂, ΔE₃,…, ΔE_b；

步骤S72：当能量差的比值ΔE₁=ΔE₂=ΔE₃=…= ΔE_b时，则以Δζ的间距减小ζ₁分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE发生减小时，输出前一次数值模拟对应的护城河长度，即第m₁次计算时发生能量差的比值ΔE减小，则确定的护城河长度L^* _m为ζ₁-（m₁-1）×Δζ；

步骤S73：当b个不同护城河长度的ζ对应的能量差的比值ΔE存在波动，即ΔE₁=ΔE₂=ΔE₃=…=ΔE_o＜ΔE_o+1=…= ΔE_b，ΔE_o对应的护城河长度为ζ_o，则以Δζ的间距增大ζ_o分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE与ΔE_o+1相等时，输出当前数值模拟对应的护城河长度，即第m₂次计算得到的能量差的比值ΔE与ΔE_o+1相等时，则确定的护城河长度L^* _m为ζ_o+m₂×Δζ；

步骤S74：当b个不同护城河深度的ζ对应的能量差的比值单调递增，即ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ ΔE_b，则以Δζ的间距增大ζ_b分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE发生相等时，输出前一次数值模拟对应的护城河长度，即第m₃次计算时发生能量差的比值ΔE相等，则确定的护城河长度L^* _m为ζ_b+（m₃-1）×Δζ。

6.根据权利要求5所述的一种通过CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法，其特征在于：步骤S8中确定原型护城河式防洪堤坝的下游坡度θ_d的值；具体为：

给定步骤S6中确定的护城河深度D^* _m和步骤S7中确定的护城河长度L^* _m，对护城河式防洪堤坝坝高度h_L，坝顶宽度L_w，上游坡度θ_u在合理范围内进行任意取值，在不同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p条件下分别对c个不同下游坡度θ_d的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，当坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE达到最大时，输出对应的护城河下游坡度θ_d为确定值，记作θ^* _d；

护城河下游坡度θ^* _d的具体确定步骤为：

步骤S81：c个不同下游坡度的护城河式防洪堤坝渠道得到c个不同下游坡度θ_d，具体值记为п，即护城河下游坡度值п₁, п₂, п₃,…, п_c，其中п₁, п₂, п₃,…, п_c逐渐增大，即п₁＜п₂＜ п₃＜…＜ п_c，其中п₁是下游坡度θ_d允许范围的最小值，п_c是下游坡度θ_d允许范围的最大值，对c个下游坡度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，分别输出坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE₁, ΔE₂, ΔE₃,…, ΔE_c；

步骤S82：当能量差的比值单调递增时，即ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ ΔE_c，则输出ΔE_c对应的п_c为最终的下游坡度值θ^* _d；

步骤S83：当能量差的比值单调递减时，即ΔE₁＞ΔE₂＞ΔE₃＞…＞ ΔE_c，则输出ΔE₁对应的п₁为最终的下游坡度值θ^* _d。

7.根据权利要求6所述的一种通过CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法，其特征在于：步骤S9中确定原型护城河式防洪堤坝的上游坡度θ_u的值；具体为：

给定步骤S6中确定的护城河深度D^* _m、步骤S7中确定的护城河长度L^* _m和步骤S8中确定的下游坡度值θ^* _d，对护城河式防洪堤坝坝高度h_L，坝顶宽度L_w在合理范围内进行取值，在不同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p条件下分别对e个不同上游坡度θ_u的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，当坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE达到最大时，输出对应的护城河上游坡度θ_u为确定值，记作θ^* _u；

护城河上游坡度θ^* _u的具体确定步骤为：

步骤S91：e个不同上游坡度的护城河式防洪堤坝渠道得到e个不同上游坡度θ_u，具体值记为δ，即护城河上游坡度值δ₁, δ₂, δ₃,…, δ_e，其中δ₁, δ₂, δ₃,…, δ_e逐渐增大，即δ₁＜δ₂＜δ₃＜…＜δ_e，其中δ₁是上游坡度θ_u允许范围的最小值，δ_e是上游坡度θ_u允许范围的最大值，对e个上游坡度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，分别输出坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE₁, ΔE₂, ΔE₃,…, ΔE_e；

步骤S92：当能量差的比值单调递增时，即ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ΔE_e，则输出ΔE_e对应的δ_e为最终的下游坡度值θ^* _u；

步骤S93：当能量差的比值单调递减时，即ΔE₁＞ΔE₂＞ΔE₃＞…＞ΔE_e，则输出ΔE₁对应的δ₁为最终的下游坡度值θ^* _u。

8.根据权利要求7所述的一种通过CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法，其特征在于：步骤S10中确定原型护城河式防洪堤坝的坝顶宽度L_w；具体为：

给定步骤S6中确定的护城河深度D^* _m、步骤S7中确定的护城河长度L^* _m、步骤S8中确定的下游坡度值θ^* _d和步骤S9中确定的上游坡度值θ^* _u，对护城河式防洪堤坝坝高度h_L在合理范围内进行取值，在不同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p条件下分别对f个不同坝顶宽度L_w的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，当坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE达到最大时，输出对应的坝顶宽度L_w为确定值，记作L^* _w；

防洪堤坝的坝顶宽度L^* _w的具体确定步骤为：

步骤S111：f个不同坝顶宽度的护城河式防洪堤坝渠道得到f个不同坝顶宽度L_w，具体值记为p，即护城河上游坡度值p₁, p₂, p₃,…, p_f，其中p₁, p₂, p₃,…, p_f逐渐增大，即p₁＜p₂＜p₃＜…＜p_f，其中p₁是坝顶宽度L_w允许范围的最小值，p_f是坝顶宽度L_w允许范围的最大值，对f个坝顶宽度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，分别输出坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE₁, ΔE₂, ΔE₃,…, ΔE_f；

步骤S112：当能量差的比值ΔE₁=ΔE₂=ΔE₃=…=ΔE_f时，则以Δp的间距减小p₁分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE发生减小时，输出前一次数值模拟对应的护城河长度，即第j₁次计算时发生能量差的比值ΔE减小，则确定的防洪堤坝的坝顶宽度L^* _w为p₁-（j₁-1）×Δp；

步骤S113：当o个不同坝顶宽度的p对应的能量差的比值单调递增，而剩余的j-o个不同坝顶宽度的p对应的能量差的比值相等，假设其中一种情况为ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ΔE_o＜ΔE_o+1=…= ΔE_f，则以Δp的间距减小p_o+1分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE发生减小时，输出前一次数值模拟对应的护城河长度，即第j₂次计算时发生能量差的比值ΔE减小，则确定的防洪堤坝的坝顶宽度L^* _w为p_o+1-（j₂-1）×Δp；

步骤S114：当f个不同长度的p对应的能量差的比值单调递增，即ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ΔE_f，则以Δp的间距增大p_f分别进行数值模拟输出能量差的比值ΔE，当能量差的比值ΔE发生相等时，输出前一次数值模拟对应的护城河长度，即第j₃次计算时发生能量差的比值ΔE相等，则确定的防洪堤坝的坝顶宽度L^* _w为p_f+（j₃-1）×Δp。

9.根据权利要求8所述的一种通过CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法，其特征在于：步骤S11：确定原型护城河式防洪堤坝的堤坝高度h_L；具体为：

给定步骤S6中确定的护城河深度D^* _m、步骤S7中确定的护城河长度L^* _m、步骤S8中确定的下游坡度值θ^* _d、步骤S9中确定的上游坡度值θ^* _u和步骤S10中确定的坝顶宽度L^* _w，在不同护城河式防洪堤坝渠道流量Q_p条件下分别对s个不同堤坝高度h_L的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，当坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE达到最大时，输出对应的堤坝高度h_L为确定值，记作h^* _L；

防洪堤坝的堤坝高度h^* _L的具体确定步骤为：

步骤S115： s个不同堤坝高度的护城河式防洪堤坝渠道得到s个不同堤坝高度h_L，具体值记为，即护城河上游坡度值/>, />, />,…, />，其中/>, />, />,…, />逐渐增大，即＜/>＜/>＜…＜/>，其中/>是堤坝高度h_L允许范围的最小值，/>是堤坝高度h_L允许范围的最大值，对s个堤坝高度的护城河式防洪堤坝渠道进行数值计算，分别输出坝顶对称断面与下游尾水断面之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE₁, ΔE₂, ΔE₃,…, ΔE_s；

步骤S116：当能量差的比值单调递增时，即ΔE₁＜ΔE₂＜ΔE₃＜…＜ΔE_s，则输出ΔE_s对应的为确定防洪堤坝的堤坝高度，记作h^* _L；

步骤S117：当能量差的比值单调递减时，即ΔE₁＞ΔE₂＞ΔE₃＞…＞ΔE_c，则输出ΔE₁对应的为确定防洪堤坝的堤坝高度，记作h^* _L。

10.根据权利要求9所述的一种通过CFD确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法，其特征在于：步骤S6-步骤S11中，坝顶对称断面A-A与下游尾水断面Z-Z之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值ΔE，计算方法为：

先计算坝顶对称断面A-A流速V_A为渠道流量Q除以坝顶对称断面A-A过流面积，坝顶对称断面A-A过流面积为坝顶对称断面处水深Y_c与渠道宽度B的乘积，则V_A=Q/(Y_c×B)，那么坝顶对称断面A-A的总能量为E_A=V_A²/2g+Y_c+h_L；

再计算下游尾水断面Z-Z流速V_Z为渠道流量Q除以下游尾水断面Z-Z过流面积，下游尾水断面Z-Z过流面积为下游尾水断面处水深Y_t与渠道宽度B的乘积，则V_Z= Q/(Y_t×B)，那么下游尾水断面Z-Z的总能量为E_Z=V_Z²/2g+Y_t；

最后计算坝顶对称断面A-A与下游尾水断面Z-Z之间能量差与坝顶对称断面总能量的比值，简称能量差的比值ΔE，ΔE=(E_A-E_Z)/ E_A。