CN117829036B - 一种通过cfd确定t型分汊明渠下游支渠流量的方法 - Google Patents
一种通过cfd确定t型分汊明渠下游支渠流量的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117829036B CN117829036B CN202410248583.3A CN202410248583A CN117829036B CN 117829036 B CN117829036 B CN 117829036B CN 202410248583 A CN202410248583 A CN 202410248583A CN 117829036 B CN117829036 B CN 117829036B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- channel
- flow
- outlet
- downstream branch
- bifurcate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 44
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 40
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims abstract description 37
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 34
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 27
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 29
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 7
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 6
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 4
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 4
- 239000002023 wood Substances 0.000 claims description 4
- 238000012216 screening Methods 0.000 claims description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 6
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- 241001577519 Verodes Species 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000005514 two-phase flow Effects 0.000 description 2
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 239000003621 irrigation water Substances 0.000 description 1
- 238000002620 method output Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000012932 thermodynamic analysis Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明公开了一种通过CFD确定T型分汊明渠下游支渠流量的方法，基于缩尺的T型分汊明渠进行物理模型试验和数值计算，得到对应的数值模拟方法；对输出的主渠出口处和下游支渠出口处流量、水深、佛罗德数和下游支渠宽度与主渠宽度之比进行处理得到T型分汊明渠流量系数表达式，从而得到T型分汊明渠下游支渠流量的表达式。在预测给定下游支渠宽度与主渠宽度之比的T型分汊明渠下游支渠流量时，测得T型分汊明渠主渠进口处流量、主渠出口处和下游支渠出口处佛罗德数或主渠进口处流量、主渠出口处和下游支渠出口处水深带入对应流量公式即可得到实时的T型分汊明渠下游支渠流量。本发明能够准确合理地预测T型分汊明渠下游支渠流量。
Description
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T型分汊明渠下游支渠流量的方法。
背景技术
T型明渠广泛存在于天然河网和各类水利工程。根据不同的进流和出流条件，通常可将T型明渠流按水力特性分成两种。其一，当T型明渠的两个上游进口为来流条件和一个下游出口为出流条件时，在T型交汇口将出现典型的明渠交汇流现象，该类型渠道一般被称之为T型交汇明渠；其二，当T型明渠的一个上游进口为来流条件和两个下游出口为出流条件时，在T型分支区域则出现典型的明渠分汊流现象，该类型渠道通常被称为T型分汊明渠。T型分汊明渠在天然河网中主要分布于水库或大坝侧支，用于引水以供周边居民使用或为鱼类提供安全通道以保护生物多样性。
目前对于河道管理者而言，T型分汊明渠的下游支渠流量的准确预测一直是一个具有挑战性的难题，这归因于T型分汊明渠的流场十分复杂。有研究表明，T型分汊明渠支渠边界条件的变化将显著改变支渠中的流态，尤其是下游支渠中的回流区和缩流断面的形态和大小。随着支渠或主渠下游出口边界条件的改变，T型分汊明渠下游支渠中的水流在缓流和急流两种流态之间转变，在缓流和急流之间的过渡流通常被称为过渡流。当T型分汊明渠几何特征或边界条件发生变化时，过渡流会呈现两个特征鲜明的状态，包括淹没回流和自由回流，这两种流态尤其受下游出口边界条件变化的影响，从而决定了T型分汊明渠中水流向下游支渠的分配。换言之，T型分汊明渠的下游支渠流量分布很大程度上受下游出口边界条件的影响。为清晰地区分缓流和过渡流，国内外研究者分别提出了明渠分汊流从缓流转变到过渡流的发生标准，但研究中缓流向过渡流状态转变的明确标准或阈值并未形成共识，最新研究以T型分汊明渠下游支渠佛罗德数为0.30时作为支渠缩流断面会出现过渡流态的判定依据。通常T型分汊明渠下游支渠的边界条件促使下游支渠佛罗德数很难达到0.30，因此本申请针对T型分汊明渠下游支渠佛罗德数未达到0.30（缓流状态）时的流场进行流量预测。此外，T型分汊明渠下游支渠流量除了受流态变化的影响，还受T型分汊明渠下游支渠几何特征的影响，较为明显的是受支渠宽度与主渠宽度之比的影响。通常主渠宽度保持不变，与主渠相交的支渠的渠道宽度小于主渠宽度，随支渠宽度与主渠宽度之比的变化，T型分汊明渠下游支渠的流量分布也将呈现不同的规律。申请人研究发现，“下游支渠宽度与主渠宽度之比大于1/3”（大下游支渠宽度与主渠宽度之比）与“下游支渠宽度与主渠宽度之比小于1/3”（小下游支渠宽度与主渠宽度之比）两种几何条件的T型分汊明渠的下游支渠流量分布规律存在明显差异。受研究进度限制，本申请中支渠宽度与主渠宽度之比分布于1/3与1之间（大下游支渠宽度与主渠宽度之比工况）。
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T型分汊明渠下游支渠流量的方法。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T型分汊明渠下游支渠的流量。因此，如何利用计算流体动力学（CFD）方法来准确预测T型分汊明渠下游支渠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T型分汊明渠的设计与优化。本技术主要针对支渠宽度与主渠宽度之比限制在1/3与1之间的T型分汊明渠，且其下游支渠佛罗德数未达到0.30的工况，即在大下游支渠宽度与主渠宽度之比几何条件和T型分汊明渠的下游支渠处于缓流状态下对下游支渠流量的预测进行研究，从而提出一种适用于缓流条件和大下游支渠宽度与主渠宽度之比几何条件的通过计算流体动力学（CFD）确定T型分汊明渠下游支渠流量的办法。
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CFD确定T型分汊明渠下游支渠流量的方法，能够简便、准确和合理地预测T型分汊明渠下游支渠的流量，有效地保证了T型分汊明渠水量的经济、安全和稳定的分配管理。
本发明的技术方案：一种通过CFD确定T型分汊明渠下游支渠流量的方法，包括以下步骤：
步骤S1：对缩尺的T型分汊明渠进行物理模型试验，建立T型分汊明渠物理模型，T型分汊明渠由主渠和下游支渠以直角连接，在主渠进口处流量Q条件下，对主渠出口处佛罗德数Fx和下游支渠出口处佛罗德数Fy分别进行计算；筛选下游支渠出口处佛罗德数Fy≤0.3的情况；
步骤S2：与步骤S1相同条件下，对步骤S1中建立的T型分汊明渠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CFD-Post进行后处理；对数值模拟条件下，主渠出口处佛罗德数F’x和下游支渠出口处佛罗德数F’y分别进行计算；
步骤S3：对步骤S1中下游支渠出口处佛罗德数Fy和步骤S2中下游支渠出口处佛罗德数F’y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|Fy-F’y|/Fy≤η%，输出对应的数值模拟方法，η为预设精度阈值；
步骤S4：根据T型分汊明渠物理模型量纲分析得到的T型分汊明渠流场影响因素，确定T型分汊明渠下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比为M，M=a×ln[(b×(e1/a-1)×ζ+ (e1/a-1)+b×ζ)/( (e1/a-1)+b×ζ)]，其中，a和b为常数系数，变量参数ζ=R×Fy/Fx；e为自然对数函数的底数；
步骤S5：通过计算流体动力学和统计产品与服务解决方案SPSS软件对步骤S4中常数系数a和b进行线性拟合；得到线性表达式a=cR+d；b=ωR+f，其中c，d，ω和f为常数系数；
步骤S6：将步骤S5得到常数系数a和b的线性表达式代入步骤S4中表达式，得到T型分汊明渠下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M表达式；
，则T型分汊明渠下游支渠流量为：Qy=M×Q，将T型分汊明渠下游支渠宽度与主渠宽度之比R代入表达式；进行步骤S61或步骤S62；
步骤S61：实时测得主渠进口处流量Q、主渠出口处佛罗德数Fx和下游支渠出口处佛罗德数Fy即可求得T型分汊明渠下游支渠流量Qy；
步骤S62：实时测得主渠进口处流量Q，主渠出口处水深hx和下游支渠出口处水深hy，再通过迭代求解可得T型分汊明渠下游支渠流量Qy。
进一步的，步骤S1中对缩尺的T型分汊明渠进行物理模型试验，具体为：
在物理模型的主渠和下游支渠的出口处设置可调节高度的平板堰；在主渠宽度为Bx和下游支渠宽度为By的几何条件中，分别调整出口边界条件即分别调整主渠出口处平板堰高度Cx和下游支渠平板堰高度Cy，测得具体参数为：
物理模型试验时主渠出口处水深hx和下游支渠出口处水深hy，主渠出口处流量Qx和下游支渠出口处流量Qy；主渠几何长度为Lx，下游支渠几何长度为Ly，下游支渠在主渠正中间相接；物理模型试验时保持主渠宽度Bx不变，设置下游支渠初始宽度为B，在下游支渠中放置与下游支渠侧壁平行的木板，保持下游支渠宽度为By的进口唯一通流且另外的下游支渠宽度B-By同样采用木板封闭；
下游支渠宽度与主渠宽度之比R的表达式为：R=By/Bx，下游支渠宽度与主渠宽度之比R的范围为：1/3≤R≤1；
下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M的表达式为：M=Qy/(Qx+Qy)；
主渠出口处水深hx的测量位置在距离主渠出口处2.5倍Bx处，下游支渠出口处水深hy的测量位置在距离下游支渠出口处2.5倍Bx处；
物理模型试验条件下主渠出口处佛罗德数Fx和下游支渠出口处佛罗德数Fy的表达式具体为：Fx=Qx/Bx/hx/(ghx)0.5，Fy=Qy/By/hy/(ghy)0.5 ，g为重力加速度；
物理模型试验采用正态物理模型，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。
进一步的，步骤S2中与步骤S1相同条件下是指：几何尺寸和下游出口边界条件相同的T型分汊明渠相同条件，下游支渠宽度与主渠宽度之比R相同条件，下游支渠出口处佛罗德数Fy≤0.3时相同条件，模型试验流量Q相同条件；
与步骤S1相同条件下，测得数值模拟时，主渠出口处水深h’x和下游支渠出口处水深h’y，主渠出口处流量Q’x和下游支渠出口处流量Q’y，数值模拟条件下主渠出口处佛罗德数F’x和下游支渠出口处佛罗德数F’y的表达式具体为：
F’x=Q’x/Bx/h’x/(gh’x)0.5，F’y=Q’y/By/h’y/(gh’y)0.5。
进一步的，步骤S2中T型分汊明渠进行数值计算，具体为：
建立与步骤S1中T型分汊明渠相同的物理模型，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T型分汊明渠物理模型量纲分析，具体为：将T型分汊明渠下游支渠出口处流量Qy用关键参数显示表示：Qy=ψ(g, ρ, μ, σ, ks, Qt, hx, hy, Cx, Cy, Bx,By)，ψ为方程式显示表示，ρ为流体密度，μ为动力粘性系数，σ为表面张力系数，ks为粗糙度厚度；通过无量纲化得到，M= Qy/ Q=ψ(Reu, Weu, Fu, ks/Bx, Fx, Fy, R)，根据水力学原理忽略主渠上游进口处雷诺数Reu、韦伯数Weu、佛罗德数Fu和相对粗糙度ks/Bx得到无量纲表达式为M= ψ(Fx, Fy, R)；
由此可知，下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M与主渠出口处佛罗德数Fx、下游支渠出口处佛罗德数Fy、下游支渠宽度与主渠宽度之比R相关。
进一步的，步骤S5在T型分汊明渠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，实现步骤S5的步骤为：
步骤S5-1：先对给定不同的主渠进口处流量Q，对不同几何条件和下游出口边界条件的T型分汊明渠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软件分别对不同的下游支渠宽度与主渠宽度之比R、对应下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M和变量参数ζ进行非线性拟合，分别得到不同的下游支渠宽度与主渠宽度之比R、对应下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M和变量参数ζ对应的a和b；
步骤S5-2：再对若干下游支渠宽度与主渠宽度之比R与常数系数a和b进行线性拟合，得到线性表达式a=cR+d；b=ωR+f，其中c，d，ω和f为常数系数。
进一步的，步骤S6中，实时测得主渠进口处流量Q，主渠出口处水深hx和下游支渠出口处水深hy，再通过迭代求解可得T型分汊明渠下游支渠流量Qy；具体过程为：
实测得主渠进口处流量Q，假设下游支渠流量为Qy，则主渠出口处流量为Qx=Q-Qy，计算得到Fx=(Q-Qy)/Bx/hx/(ghx)0.5，Fy=Qy/By/hy/(ghy)0.5；
则ζ=R×Fy/Fx=R×(Qy/By/hy/(ghy)0.5)/( (Q-Qy)/Bx/hx/(ghx)0.5)，将ζ带入下游支渠流量Qy的表达式：
，则等号两侧仅有下游支渠流量Qy未知，通过以相同差值Qd逐渐增大Qy直至等号两侧相等，则停止迭代，输出下游支渠流量Qy的具体值。
本发明的有益效果：本发明通过计算流体动力学预测T型分汊明渠下游支渠流量的方法，能够简便、准确和合理地预测T型分汊明渠下游支渠的实时流量，优化了水利工程中布置T型分汊明渠的规划合理性，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T型分汊明渠结构示意图；
图2为物理试验和数值模拟中T型分汊明渠下游支渠出口处佛罗德数对比图；
图3为T型分汊明渠主渠出口处佛罗德数Fx与下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M的关系图；
图4为T型分汊明渠下游支渠出口处佛罗德数Fy与下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M的关系图；
图5为下游支渠宽度与主渠宽度之比R与常数系数a的关系图；
图6为下游支渠宽度与主渠宽度之比R与常数系数b的关系图。
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CFD确定T型分汊明渠下游支渠流量的方法，包括先对数值模拟的方法进行验证，通过对T型分汊明渠缩尺后的物理模型在不同条件下对应进行数值计算和物理试验，并对T型分汊明渠下游支渠出口处佛罗德数进行采集与对比，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T型分汊明渠进行计算流体动力学计算并对提出的下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比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条件下的T型分汊明渠主渠出口处佛罗德数和下游支渠出口处佛罗德数或主渠出口处水深和下游支渠出口处水深预测出原型条件下T型分汊明渠的实时流量。
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T型分汊明渠进行计算以确定原型条件下T型分汊明渠的主渠出口处水深和下游支渠出口处水深，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T型分汊明渠下游支渠的实时流量。
本实施例的通过CFD确定T型分汊明渠下游支渠流量的方法，具体步骤如下：
步骤S1：对缩尺的T型分汊明渠进行物理模型试验，建立T型分汊明渠物理模型；
其缩尺的T型分汊明渠主渠几何长度Lx为10m，下游支渠长度Ly为5m，主渠与下游支渠在主渠长度为5m处以直角相交，主渠宽度Bx保持为0.3m，支渠宽度By在0.1m至0.3m之间变化，支渠宽度具体为0.1m、0.18m、0.22m和0.3m，对应的支渠宽度与主渠宽度之比R分别为0.333，0.600，0.733和1.000，在模型试验时主渠进口处流量Q为3L/s~9L/s的条件下，分别调整主渠出口处平板堰高度Cx和下游支渠平板堰高度Cy，测得物理模型试验时主渠出口处水深hx和下游支渠出口处水深hy，主渠出口处流量Qx和下游支渠出口处流量Qy，此时中下游支渠宽度与主渠宽度之比为R=By/Bx，下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比为M=Qy/(Qx+Qy)；对主渠出口处佛罗德数Fx和下游支渠出口处佛罗德数Fy分别进行计算，Fx=Qx/Bx/hx/(ghx)0.5，Fy=Qy/By/hy/(ghy)0.5，g为重力加速度；T型分汊明渠结构如图1所示。
对试验工况进行筛选，仅保留下游支渠出口处佛罗德数Fy≤0.3的情况，输出对应的主渠宽度为Bx和下游支渠宽度为By及下游支渠宽度与主渠宽度之比为R=By/Bx，主渠出口处平板堰高度Cx和下游支渠平板堰高度Cy，物理模型试验时主渠出口处水深hx和下游支渠出口处水深hy，主渠出口处流量Qx和下游支渠出口处流量Qy及下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M；
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。
步骤S2：对步骤S1中缩尺的T型分汊明渠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中下游支渠出口处佛罗德数Fy≤0.3时对应几何尺寸相同的T型分汊明渠的条件下，计算得到对应相同模型试验时主渠进口处流量Q条件下，与物理模型试验下游支渠出口处佛罗德数Fy≤0.3时对应主渠出口处平板堰高度Cx和下游支渠平板堰高度Cy，测得数值模拟时主渠出口处水深h’x和下游支渠出口处水深h’y，主渠出口处流量Q’x和下游支渠出口处流量Q’y；
对数值模拟条件下，主渠出口处佛罗德数F’x和下游支渠出口处佛罗德数F’y分别进行计算；F’x=Q’x/Bx/h’x/(gh’x)0.5，F’y=Q’y//By/h’y/(gh’y)0.5，g为重力加速度。
数值计算时，先对步骤S1中T型分汊明渠模型进行数值计算，建立T型分汊明渠三维数值模型，并将T型分汊明渠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，在与物理模型试验中对应边界条件和几何条件下进行计算获得数值模拟时主渠出口处水深和下游支渠出口处水深，主渠出口处流量和下游支渠出口处流量；
再将三维数值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T型分汊明渠计算可得到不同的主渠出口处水深h’x、下游支渠出口处水深h’y、主渠出口处流量Q’x和下游支渠出口处流量Q’y, 即h’x, h’y, Q’x, Q’y数据集。
步骤S3：对步骤S2中数值模拟时不同下游支渠宽度与主渠宽度之比R和对应下游支渠出口处佛罗德数F’y数据集与步骤S1中物理模型试验中不同下游支渠宽度与主渠宽度之比Rb和对应下游支渠出口处佛罗德数Fy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|Fy-F’y|/Fy≤2.5%，输出对应的数值模拟方法；图2为物理试验和数值模拟中T型分汊明渠下游支渠出口处佛罗德数对比图，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，湍流模型为可实现湍流模型（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S4：根据T型分汊明渠物理模型量纲分析得到的T型分汊明渠流场主要影响因素确定T型分汊明渠下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比，其中，变量参数ζ=R×Fy/Fx；a和b为常数系数；
T型分汊明渠物理模型量纲分析具体为：将T型分汊明渠下游支渠流量Qy用关键参数显示表示：Qy=ψ(g, ρ, μ, σ, ks, Q, hx, hy, Cx, Cy, Bx, By)，ψ为方程式显示表示，ρ为流体密度，μ为动力粘性系数，σ为表面张力系数，ks为粗糙度厚度；通过无量纲化得到，M=Qy/ Q=ψ(Reu, Weu, Fu, ks/Bx, Fx, Fy, R)，根据水力学原理忽略主渠上游进口处雷诺数Reu、韦伯数Weu、佛罗德数Fu和相对粗糙度ks/Bx得到无量纲表达式为M= ψ(Fx, Fy, R)；
由此可知，下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M与主渠出口处佛罗德数Fx、下游支渠出口处佛罗德数Fy、下游支渠宽度与主渠宽度之比R相关。
步骤S5：对主渠长度为100m，下游支渠长度为50m，主渠宽度保持为3m，支渠宽度分别为1m、1.8m、2.2m和3m的原型条件下T型分汊明渠，采用单位体积1×1×1的六面体结构化网格，湍流模型为可实现湍流模型（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，对T型分汊明渠进行计算流体动力学计算，输出T型分汊明渠主渠进口处流量Q=0.949m³/s~2.85m³/s条件下数值模拟时T型分汊明渠主渠出口处佛罗德数Fx和下游支渠出口处佛罗德数Fy并输出对应的下游支渠宽度与主渠宽度之比R，图3和图4分别为流量为0.949 m³/s、下游支渠宽度与主渠宽度之比R为1时的主渠出口处佛罗德数Fx和下游支渠出口处佛罗德数Fy与下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M的关系图；
采用统计产品与服务解决方案SPSS软件对T型分汊明渠流量系数的表达式在不同下游支渠宽度与主渠宽度之比R条件下进行非线性拟合，式中ζ=R×Fy/Fx，得到常数系数a和b，具体为，R为0.333时，对应的a为0.746，b为1.292,；R为0.6时，对应的a为0.836，b为1.161；R为0.733时，对应的a为0.987，b为0.973；R为1时，对应的a为1.075，b为0.866；对a=cR+d；b=eR+f，其中c，d，e和f为常数系数进行线性拟合，图5和图6为下游支渠宽度与主渠宽度之比R与常数系数a和下游支渠宽度与主渠宽度之比R与常数系数b的关系图，则a=0.52R+0.57，其决定系数R2=0.95；b=-0.64R+1.50，其决定系数R2=0.94，决定系数接近1，表明下游支渠宽度与主渠宽度之比R与常数系数a和下游支渠宽度与主渠宽度之比R与常数系数b的关系均正确；
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或线性拟合，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、d、ω和f的具体值。
步骤S6：将步骤S5得到的下游支渠宽度与主渠宽度之比R与常数系数a和b的线性表达式代入步骤S4中T型分汊明渠下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M表达式，得到T型分汊明渠下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M表达式为：
；
则T型分汊明渠下游支渠流量为：
；
式中：变量参数ζ为下游支渠宽度与主渠宽度之比R、主渠出口处佛罗德数Fx和下游支渠出口处佛罗德数Fy的关系，即ζ=R×Fy/Fx；
假设T型分汊明渠下游支渠宽度为1.5m，主渠宽度为3m时，即支渠宽度与主渠下游支渠宽度与主渠宽度之比R为0.5时，则T型分汊明渠下游支渠流量为：
Qy=Q×0.83×ln[(1.18×(e1/0.83-1)×ζ+ (e1/0.83-1)+1.18×ζ)/((e1/0.83-1)+1.18×ζ)]；
此时实测得主渠出口处佛罗德数Fx为0.15，下游支渠出口处佛罗德数Fy为0.21时，则ζ=0.7，实测得主渠上游进口处流量为1.90 m³/s，则预测得到T型分汊明渠下游支渠流量为0.67 m³/s；
如果实测得主渠上游进口处流量为1.90 m³/s，主渠出口处水深hx和下游支渠出口处水深hy均为0.8m时，，则，代入则得到，显然，等号两侧仅有T型分汊明渠下游支渠流量Qy为未知数，通过逐渐增大Qy直至等号两侧相等停止计算，得到T型分汊明渠下游支渠流量为0.67 m³/s。
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 (5)
1.一种通过CFD确定T型分汊明渠下游支渠流量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：对缩尺的T型分汊明渠进行物理模型试验，建立T型分汊明渠物理模型，T型分汊明渠由主渠和下游支渠以直角连接，在主渠进口处流量Q条件下，对主渠出口处佛罗德数Fx和下游支渠出口处佛罗德数Fy分别进行计算；筛选下游支渠出口处佛罗德数Fy≤0.3的情况；
步骤S2：与步骤S1相同条件下，对步骤S1中建立的T型分汊明渠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CFD-Post进行后处理；对数值模拟条件下，主渠出口处佛罗德数F’x和下游支渠出口处佛罗德数F’y分别进行计算；
步骤S3：对步骤S1中下游支渠出口处佛罗德数Fy和步骤S2中下游支渠出口处佛罗德数F’y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|Fy-F’y|/Fy≤η%，输出对应的数值模拟方法，η为预设精度阈值；
步骤S4：根据T型分汊明渠物理模型量纲分析得到的T型分汊明渠流场影响因素，确定T型分汊明渠下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比为M，M=a×ln[(b×(e1/a-1)×ζ+(e1/a-1)+b×ζ)/( (e1/a-1)+b×ζ)]，其中，a和b为常数系数，变量参数ζ=R×Fy/Fx；e为自然对数函数的底数；
步骤S5：通过计算流体动力学和统计产品与服务解决方案SPSS软件对步骤S4中常数系数a和b进行线性拟合；得到线性表达式a=cR+d；b=ωR+f，其中c，d，ω和f为常数系数；
步骤S6：将步骤S5得到常数系数a和b的线性表达式代入步骤S4中表达式，得到T型分汊明渠下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M表达式；
，则T型分汊明渠下游支渠流量为：Qy=M×Q，将T型分汊明渠下游支渠宽度与主渠宽度之比R代入表达式；进行步骤S61或步骤S62；
步骤S61：实时测得主渠进口处流量Q、主渠出口处佛罗德数Fx和下游支渠出口处佛罗德数Fy即可求得T型分汊明渠下游支渠流量Qy；
步骤S62：实时测得主渠进口处流量Q，主渠出口处水深hx和下游支渠出口处水深hy，再通过迭代求解可得T型分汊明渠下游支渠流量Qy；
步骤S1中对缩尺的T型分汊明渠进行物理模型试验，具体为：
在物理模型的主渠和下游支渠的出口处设置可调节高度的平板堰；在主渠宽度为Bx和下游支渠宽度为By的几何条件中，分别调整出口边界条件即分别调整主渠出口处平板堰高度Cx和下游支渠平板堰高度Cy，测得具体参数为：
物理模型试验时主渠出口处水深hx和下游支渠出口处水深hy，主渠出口处流量Qx和下游支渠出口处流量Qy；主渠几何长度为Lx，下游支渠几何长度为Ly，下游支渠在主渠正中间相接；物理模型试验时保持主渠宽度Bx不变，设置下游支渠初始宽度为B，在下游支渠中放置与下游支渠侧壁平行的木板，保持下游支渠宽度为By的进口唯一通流且另外的下游支渠宽度B-By同样采用木板封闭；
下游支渠宽度与主渠宽度之比R的表达式为：R=By/Bx，下游支渠宽度与主渠宽度之比R的范围为：1/3≤R≤1；
下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M的表达式为：M=Qy/(Qx+Qy)；
主渠出口处水深hx的测量位置在距离主渠出口处2.5倍Bx处，下游支渠出口处水深hy的测量位置在距离下游支渠出口处2.5倍Bx处；
物理模型试验条件下主渠出口处佛罗德数Fx和下游支渠出口处佛罗德数Fy的表达式具体为：Fx=Qx/Bx/hx/(ghx)0.5，Fy=Qy/By/hy/(ghy)0.5，g为重力加速度；
物理模型试验采用正态物理模型，选取物理模型线性比尺ll，物理模型采用重力相似准则设计，角度比lγ，流速比lv=ll 0.5，流量比lQ=ll 2.5，糙率比ln=ll 1/6。
2.根据权利要求1所述的一种通过CFD确定T型分汊明渠下游支渠流量的方法，其特征在于：步骤S2中与步骤S1相同条件下是指：几何尺寸和下游出口边界条件相同的T型分汊明渠相同条件，下游支渠宽度与主渠宽度之比R相同条件，下游支渠出口处佛罗德数Fy≤0.3时相同条件，模型试验流量Q相同条件；
与步骤S1相同条件下，测得数值模拟时，主渠出口处水深h’x和下游支渠出口处水深h’y，主渠出口处流量Q’x和下游支渠出口处流量Q’y，数值模拟条件下主渠出口处佛罗德数F’x和下游支渠出口处佛罗德数F’y的表达式具体为：
F’x=Q’x/Bx/h’x/(gh’x)0.5，F’y=Q’y/By/h’y/(gh’y)0.5。
3.根据权利要求2所述的一种通过CFD确定T型分汊明渠下游支渠流量的方法，其特征在于：步骤S4中T型分汊明渠物理模型量纲分析，具体为：将T型分汊明渠下游支渠出口处流量Qy用关键参数显示表示：Qy=ψ(g, ρ, m, σ, ks, Qt, hx, hy, Cx, Cy, Bx, By)，ψ为方程式显示表示，ρ为流体密度，m为动力粘性系数，σ为表面张力系数，ks为粗糙度厚度；通过无量纲化得到，M= Qy/ Q=ψ(Reu, Weu, Fu, ks/Bx, Fx, Fy, R)，根据水力学原理忽略主渠上游进口处雷诺数Reu、韦伯数Weu、佛罗德数Fu和相对粗糙度ks/Bx得到无量纲表达式为M= ψ(Fx,Fy, R)。
4.根据权利要求3所述的一种通过CFD确定T型分汊明渠下游支渠流量的方法，其特征在于：实现步骤S5的步骤为：
步骤S5-1：先对给定不同的主渠进口处流量Q，对不同几何条件和下游出口边界条件的T型分汊明渠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软件分别对不同的下游支渠宽度与主渠宽度之比R、对应下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M和变量参数ζ进行非线性拟合，分别得到不同的下游支渠宽度与主渠宽度之比R、对应下游支渠出口处流量与主渠进口处流量之比M和变量参数ζ对应的a和b；
步骤S5-2：再对若干下游支渠宽度与主渠宽度之比R与常数系数a和b进行线性拟合，得到线性表达式a=cR+d；b=ωR+f，其中c，d，ω和f为常数系数。
5.根据权利要求4所述的一种通过CFD确定T型分汊明渠下游支渠流量的方法，其特征在于：步骤S6中，实时测得主渠进口处流量Q，主渠出口处水深hx和下游支渠出口处水深hy，再通过迭代求解可得T型分汊明渠下游支渠流量Qy；具体过程为：
实测得主渠进口处流量Q，假设下游支渠流量为Qy，则主渠出口处流量为Qx=Q-Qy，计算得到Fx=(Q-Qy)/Bx/hx/(ghx)0.5，Fy=Qy/By/hy/(ghy)0.5；
则ζ=R×Fy/Fx=R×(Qy/By/hy/(ghy)0.5)/( (Q-Qy)/Bx/hx/(ghx)0.5)，将ζ带入下游支渠流量Qy的表达式：
，通过以相同差值Qd逐渐增大Qy直至等号两侧相等，则停止迭代，输出下游支渠流量Qy的具体值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410248583.3A CN117829036B (zh) | 2024-03-05 | 2024-03-05 | 一种通过cfd确定t型分汊明渠下游支渠流量的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410248583.3A CN117829036B (zh) | 2024-03-05 | 2024-03-05 | 一种通过cfd确定t型分汊明渠下游支渠流量的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117829036A CN117829036A (zh) | 2024-04-05 |
| CN117829036B true CN117829036B (zh) | 2024-05-14 |
Family
ID=90523079
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410248583.3A Active CN117829036B (zh) | 2024-03-05 | 2024-03-05 | 一种通过cfd确定t型分汊明渠下游支渠流量的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117829036B (zh) |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106372375A (zh) * | 2016-10-26 | 2017-02-01 | 武汉大学 | 水库下游两级分汊河道汊河分流比变化的预测方法 |
| CN109141542A (zh) * | 2018-09-14 | 2019-01-04 | 长春工程学院 | 基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法 |
| CN110647039A (zh) * | 2019-10-08 | 2020-01-03 | 黄河勘测规划设计研究院有限公司 | 长距离明渠输水工程同步控制自适应平衡调度方法 |
| CN114117965A (zh) * | 2021-12-07 | 2022-03-01 | 南昌工程学院 | 一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法 |
| CN114184239A (zh) * | 2021-12-07 | 2022-03-15 | 南昌工程学院 | 一种基于最优收缩度中心圆柱矩形槽的渠道测流法 |
| CN114330156A (zh) * | 2021-12-07 | 2022-04-12 | 南昌工程学院 | 一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法 |
| WO2023087995A1 (zh) * | 2021-11-16 | 2023-05-25 | 河海大学 | 一种分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法 |
| CN116796997A (zh) * | 2023-08-01 | 2023-09-22 | 东北农业大学 | 基于第三代非支配排序遗传算法的三级渠系配水优化方法 |
| CN117408188A (zh) * | 2023-12-14 | 2024-01-16 | 江西省水利科学院(江西省大坝安全管理中心、江西省水资源管理中心) | 一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法 |
| CN117454724A (zh) * | 2023-12-25 | 2024-01-26 | 南昌工程学院 | 一种通过cfd确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法 |
| CN117592257A (zh) * | 2023-11-07 | 2024-02-23 | 中国水利水电科学研究院 | 一种闸控水网数字孪生模型的构建方法及系统 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11661805B2 (en) * | 2021-08-02 | 2023-05-30 | Weatherford Technology Holdings, Llc | Real time flow rate and rheology measurement |
| US20230152134A1 (en) * | 2021-11-18 | 2023-05-18 | Saudi Arabian Oil Company | Method and system for predictive flow measurement at in-plant piping |
-
2024
- 2024-03-05 CN CN202410248583.3A patent/CN117829036B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106372375A (zh) * | 2016-10-26 | 2017-02-01 | 武汉大学 | 水库下游两级分汊河道汊河分流比变化的预测方法 |
| CN109141542A (zh) * | 2018-09-14 | 2019-01-04 | 长春工程学院 | 基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法 |
| CN110647039A (zh) * | 2019-10-08 | 2020-01-03 | 黄河勘测规划设计研究院有限公司 | 长距离明渠输水工程同步控制自适应平衡调度方法 |
| WO2023087995A1 (zh) * | 2021-11-16 | 2023-05-25 | 河海大学 | 一种分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法 |
| CN114117965A (zh) * | 2021-12-07 | 2022-03-01 | 南昌工程学院 | 一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法 |
| CN114184239A (zh) * | 2021-12-07 | 2022-03-15 | 南昌工程学院 | 一种基于最优收缩度中心圆柱矩形槽的渠道测流法 |
| CN114330156A (zh) * | 2021-12-07 | 2022-04-12 | 南昌工程学院 | 一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法 |
| CN116796997A (zh) * | 2023-08-01 | 2023-09-22 | 东北农业大学 | 基于第三代非支配排序遗传算法的三级渠系配水优化方法 |
| CN117592257A (zh) * | 2023-11-07 | 2024-02-23 | 中国水利水电科学研究院 | 一种闸控水网数字孪生模型的构建方法及系统 |
| CN117408188A (zh) * | 2023-12-14 | 2024-01-16 | 江西省水利科学院(江西省大坝安全管理中心、江西省水资源管理中心) | 一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法 |
| CN117454724A (zh) * | 2023-12-25 | 2024-01-26 | 南昌工程学院 | 一种通过cfd确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法 |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
|---|
| Analysis of the effect of froude number on the flow regime over ogee spillways using a CFD method;Hamidreza;ResearchGate;20100930;全文 * |
| Applications of Computational Fluid Dynamics to Flow Ratings at Prototype Spillways and Weirs. I: Data Generation and Validation;Jie Zeng;Journal of Irrigation and Drainage Engineering;20160615;全文 * |
| U形渠道斜坎量水堰水力性能试验及数值模拟;苏怡;胡笑涛;王文娥;薛城;刘海强;;节水灌溉;20180305(03);全文 * |
| 基于CFD模拟的大型低扬程泵站低驼峰式出水流道水力优化研究;斯静;南昌工程学院学报;20230628;全文 * |
| 基于正交试验的三角环流流道灌水器数值模拟;王新坤;李俊红;李亚飞;许文博;;排灌机械工程学报;20100930(05);全文 * |
| 基于正交试验的高扬程混流泵优化设计;李彦军;排灌机械工程学报;20201203;全文 * |
| 天然河道分汊口闸段过流水流特性的试验研究;郭维东;杨梓;林洋;金明星;李艳朋;刘从坦;张邀丹;;沈阳农业大学学报;20190415(02);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117829036A (zh) | 2024-04-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN117408188B (zh) | 一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法 | |
| CN113553737B (zh) | 一种基于阀门压差的阀门流量预测方法 | |
| CN112464584A (zh) | 自由表面流的水位和流量推求方法 | |
| Abdelhaleem | Discharge estimation for submerged parallel radial gates | |
| CN111311734A (zh) | 铀尾矿库排洪系统水力特性三维数值模拟方法 | |
| Tomor et al. | Validation of a discrete model for flow distribution in dividing-flow manifolds: Numerical and experimental studies | |
| Nouri et al. | Discharge coefficient in the combined weir-gate structure | |
| CN117829036B (zh) | 一种通过cfd确定t型分汊明渠下游支渠流量的方法 | |
| Kaushik et al. | Sustainable gene expression programming model for shear stress prediction in nonprismatic compound channels | |
| CN116384289B (zh) | 一种通过计算流体动力学预测墩块式鱼道流量的方法 | |
| CN117454724A (zh) | 一种通过cfd确定护城河式防洪堤坝几何参数的方法 | |
| Mohanta et al. | Flow modeling in symmetrically narrowing flood plains | |
| CN116757111A (zh) | 一种预测带有鱼道坡度的墩块式鱼道流量的方法 | |
| Jebelli et al. | Numerical simulations of lateral input effect in an open channel to reduce disturbances in the mainstream channel using CFD | |
| Sarhan et al. | Analysis of simulation outputs for the mutual effect of flow in weir and gate system | |
| CN114757049A (zh) | 流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法 | |
| Yıldız et al. | Numerical and experimental modelling of flow at Tyrolean weirs | |
| CN101799391A (zh) | 数值模拟中概化透水物糙率的方法 | |
| Al-Suhili et al. | Prediction of the discharge coefficient for a Cipolletti weir with rectangular bottom opening | |
| Zeinivand et al. | The discharge coefficient of sharp triangular weir pierced by orifices | |
| Yin et al. | Walladapting local eddy-viscosity turbulence model for TELEMAC3D | |
| Mohanty | Velocity distribution in trapezoidal meandering channel | |
| Rasaei et al. | Application of numerical model in determining the discharge coefficient containing suspended sediments passing through side weirs | |
| Lee | CFD study on the correlation for a partially submerged orifice flow | |
| CN117829035A (zh) | 一种t型分汊明渠下游支渠流量的预测方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |