【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于流體動力學領域，具體涉及一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法。
技術介紹
1、在國內各類渠道中梯形溢流壩通常用作灌溉結構，具有短壩頂的梯形剖面的堰用于將河水引向灌溉渠用于灌溉莊稼和農作物。通常在梯形溢流壩裝置中配有控制流量的閘門，可以根據作物灌溉水量的需要來調節上游水位，從而達到灌溉要求。此外，此類梯形溢流壩還可以根據閘門開度和梯形溢流壩上游及下游水位來充當流量測量裝置。然而有研究表明，在測量流量時流場的改變決定了流量的預測精度。通常隨著梯形溢流壩上、下游水位相對位置的變化，梯形溢流壩的下游水流流場在自由出流和淹沒出流兩種形態中切換。通常發生洪水或大流量工況時，梯形溢流壩下游流場處于淹沒出流狀態，而日常小流量工況使用，梯形溢流壩下游流場處于自由出流狀態。
2、梯形溢流壩的流場除了受下游出流狀態影響之外，還受梯形溢流壩幾何構造的影響，主要包括梯形溢流壩的壩頂寬度、上游坡度和下游坡度。雖然有部分學者有針對地進行了一些研究，但是均只考慮某一個因素，或者基于一些古老的公式進行了一些不太符合邏輯的修改，這導致過去學者們提出的流量預測公式缺乏科學性和系統性，使得流量預測精度大打折扣。需要指出的是，本技術在預研究中發現，上游坡度和下游坡度的臨界點均在1:1，換言之，上游坡度或下游坡度在緩于1:1或陡于1:1時，梯形溢流壩中流場均發生較大的改變，這正是過去研究者沒有考慮的，他們均將所有坡度綜合考慮，包括上游坡度和下游坡度為直角的情況（均為直角時為寬頂堰或薄壁堰），這導致流量預測的精度大受影響。本技術受經費和時
3、隨著計算流體動力學（cfd）和云計算技術的快速發展，由于其具有建模便捷、可直接對原型進行模擬、試驗重復性較好等優點，數值模擬方法逐漸成為一種非常有效的研究手段。但是現有技術中還沒有利用數值試驗手段精確預測梯形溢流壩流量的方法。中國專利公開號cn106844913b中公開了一種基于三維計算流體動力學（cfd）的滯留氣團熱力學特性模擬方法，該專利利用三維計算流體動力學（cfd）進行了滯留氣團的熱力學分析，但是其方法不能用于預測梯形溢流壩的流量。因此，如何利用計算流體動力學（cfd）方法來準確預測梯形溢流壩的流量是一個非常值得研究的課題，它將有效指導實際工程中梯形溢流壩的設計與優化，并顯著提高水利管理部門的決策效率。本技術主要針對小流量工況，即梯形溢流壩下游處于自由出流狀態的流量預測進行研究，從而提出一種適用于自由出流條件的梯形溢流壩的流量預測辦法。
技術實現思路
1、本專利技術的目的：為了克服現有技術中存在的不足，本專利技術提供一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，能夠簡便、準確和合理地預測梯形溢流壩的流量，有效地保證了梯形溢流堤的經濟、安全和穩定運行。
2、本專利技術的技術方案：一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，包括以下步驟：
3、步驟s1：對縮尺的梯形溢流壩進行物理模型試驗，建立梯形溢流壩渠道物理模型；在模型試驗流量qt條件下測得物理模型試驗時，沿梯形溢流壩渠道對稱縱斷面上、梯形溢流壩上游不同過流斷面水深hi；
4、步驟s2：對步驟s1中建立的梯形溢流壩渠道物理模型進行數值計算，計算收斂后導出結果，通過計算流體動力學后處理軟件進行后處理；在與步驟s1幾何尺寸相同的梯形溢流壩的條件下，計算得到相同模型試驗流量qt條件下測得數值模擬時，沿梯形溢流壩渠道對稱縱斷面上、梯形溢流壩上游不同過流橫斷面對應水深hi；
5、步驟s3：對步驟s2中數值模擬時對應水深hi數據集與步驟s1中物理模型試驗時對應水深hi數據集進行逐點對比，找到所有數值逐點相對誤差絕對值均不超過η%的計算工況，即|hi-hi|/hi≤η%，輸出對應的數值模擬方法；
6、步驟s4：根據梯形溢流壩的流量q表達式q=cdb(2gh03)1/2得到梯形溢流壩流量系數cd的表達式；其中b為渠道寬度，g為重力加速度，h0為梯形溢流壩上游總能量水頭；a、b、c、k和為常數系數，ξ為相對壩頂寬度，θu表示上游坡度，θd表示下游坡度；
7、步驟s5：對不同幾何條件的梯形溢流壩進行計算流體動力學計算，采用統計產品與服務解決方案spss軟件對相對壩頂寬度ξ，上游坡度θu，下游坡度θd和梯形溢流壩流量系數cd進行非線性擬合，得到常數系數a、b、c、k和的具體值記為a*、b*、c*、k*和，將常數系數具體值反代入梯形溢流壩流量系數cd的表達式，得到梯形溢流壩流量系數表達式；
8、步驟s6：將步驟s5得到的梯形溢流壩流量系數表達式代入步驟s4梯形溢流壩的流量q表達式，得到梯形溢流壩的流量q的表達式為：
9、；
10、將壩頂寬度lc、壩頂高度hl、上游坡度θu和下游坡度θd安置在梯形溢流壩給定渠道寬度b中，實時測得梯形溢流壩上游總能量水頭h0，求得梯形溢流壩中的實時流量；或者測得梯形溢流壩上游水深hp求解可得梯形溢流壩的流量q。
11、進一步的，步驟s1中對縮尺的梯形溢流壩進行物理模型試驗，應保證梯形溢流壩的下游水流狀態始終為自由出流，具體方法為：
12、在梯形溢流壩的上游逐漸增加模型試驗流量qt，在梯形溢流壩下游設置尾門并控制尾門的開度，同時監測梯形溢流壩上游水位ht和下游水位tt，隨著下游水位tt逐漸上升，始終保證梯形溢流壩上游水位ht變化明顯不超過1mm。
13、進一步的，步驟s1中縮尺的梯形溢流壩渠道物理模型，具體參數為：
14、渠道幾何長度為l，梯形溢流壩渠道橫跨渠道貫穿布置；
15、梯形溢流壩幾何參數為：壩頂高度hl，壩頂寬度lc，上游壩頂拐點到上游壩腳拐點的水平距離為hu，下游壩頂拐點到下游壩腳拐點的水平距離為hd，其中上游坡度為上游坡度對應的壩頂高度hl與上游壩頂拐點到上游壩腳拐點的水平距離hu的比值，下游坡度為下游坡度對應的壩頂高度hl與下游壩頂拐點到下游壩腳拐點的水平距離hd的比值；
16、上游坡度和下游坡度的陡度均不低于1:1；
17、物理模型試驗采用正態物理模型，綜合考慮物理模型水流在阻力平方區要求，選取物理模型線性比尺λl，物理模型采用重力相似準則設計，角度比λγ，流速比λv=λl0.5，流量比λq=λl2.5，糙率比λn=λl1/6，梯形溢流壩渠道流量qp=λq×qt。
18、進一步的，步驟s1中物理模型試驗時沿梯形溢流壩渠道對稱縱斷面上、梯形溢流壩上游不同過流斷面水深hi，i為隨機斷面編號；對應的步本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，其特征在于：包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，其特征在于：步驟S1中對縮尺的梯形溢流壩進行物理模型試驗，應保證梯形溢流壩的下游水流狀態始終為自由出流，具體方法為：
3.根據權利要求2所述的一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，其特征在于：步驟S1中縮尺的梯形溢流壩渠道物理模型，具體參數為：
4.根據權利要求3所述的一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，其特征在于：步驟S1中物理模型試驗時沿梯形溢流壩渠道對稱縱斷面上、梯形溢流壩上游不同過流斷面水深hi，i為隨機斷面編號；對應的步驟S2中數值模擬時沿梯形溢流壩渠道對稱縱斷面上、梯形溢流壩上游不同過流橫斷面對應水深Hi?，i斷面編號與步驟S1中相同。
5.根據權利要求4所述的一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，其特征在于：步驟S2中梯形溢流壩進行數值計算，具體為：
6.根據權利要求5所述的一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，其特
7.根據權利要求6所述的一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，其特征在于：步驟S5中：對不同幾何條件的梯形溢流壩進行計算流體動力學計算，具體為：
8.根據權利要求7所述的一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，其特征在于：步驟S5中：對梯形溢流壩進行計算流體動力學計算，梯形溢流壩的上游坡度θu和下游坡度θd的陡度均不低于1:1，并且梯形溢流壩的下游水流狀態始終為自由出流。
9.根據權利要求8所述的一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，其特征在于：步驟S5在梯形溢流壩渠道進行計算流體動力學計算中采用步驟S3中輸出的對應的數值模擬方法。
10.根據權利要求9所述的一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，其特征在于：步驟S6中：測得梯形溢流壩上游水深Hp，求解可得梯形溢流壩的流量Q，具體步驟為：
...【技術特征摘要】
1.一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，其特征在于：包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，其特征在于：步驟s1中對縮尺的梯形溢流壩進行物理模型試驗，應保證梯形溢流壩的下游水流狀態始終為自由出流，具體方法為：
3.根據權利要求2所述的一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，其特征在于：步驟s1中縮尺的梯形溢流壩渠道物理模型，具體參數為：
4.根據權利要求3所述的一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，其特征在于：步驟s1中物理模型試驗時沿梯形溢流壩渠道對稱縱斷面上、梯形溢流壩上游不同過流斷面水深hi，i為隨機斷面編號；對應的步驟s2中數值模擬時沿梯形溢流壩渠道對稱縱斷面上、梯形溢流壩上游不同過流橫斷面對應水深hi?，i斷面編號與步驟s1中相同。
5.根據權利要求4所述的一種通過計算流體動力學預測梯形溢流壩流量的方法，其特征在于：步驟s2中梯形溢流壩進行數值計算，具體為：
6.根據權利要求5所述...
【專利技術屬性】
技術研發人員：朱曉明，許小華，楊培生，張霖，袁琪亮，石莎，時碩碩，崔昊旻，
申請(專利權)人：江西省水利科學院江西省大壩安全管理中心，江西省水資源管理中心，
類型：發明
國別省市：
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