一种基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法，该方法通过建立调压室水位液面与通气洞气体分界面的气液耦合模型，将通气洞内的气体与引水隧洞内的液体耦合在一起，再通过特征线解法，实现通气洞内的气体与引水隧洞内的液体在过渡过程中非恒定流动的联合模拟，精确地得到通气洞内风速的变化过程。本发明专利技术方法理论依据充分，实现方式简单：通过气液交界面的耦合，实现引水隧洞液体与通气洞气体的同时、联合模拟，能够真实反映管道液体及调压室水位波动对通气洞风速的影响，得到的风速模拟结果可信、精度高，并且计算稳定、速度快，模拟结果可直接用于指导调压室与通气洞的设计，为通气洞的体型设计与优化提供了可靠保障。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水利水电工程
，具体的说涉及一种基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法。
技术介绍
随着我国水电建设事业的深入，西南山区一批大型、特大型水电站正在修建。西南地区水力资源具有高落差，河道陡峭、山谷狭窄等普遍特点，基于此，在综合考虑地形、地质、降低工程投资、安全性等多方面因素后，水电站多采用地下式厂房，这些电站普遍的工程特点是机组装机容量大且采用地下式厂房，为了减小管道内的水击压力，通常要修建调压室。对于这类地下式水电站来说，设置的调压室通常是修建在山体中的开敞式调压室，为保证调压室水面为大气压，该类调压室必须通大气，实现通风、减压等功能。地下式水电站调压室的通风是通过修建通气洞来实现的，如图1所示。在过渡过程中，不同工况转换时，调压室上方气体压力脉动是剧烈的，低压可低于大气压力，当负荷变化很大时，甚至可以减少到汽化压力，在这种正负压力剧烈交变的过程中，会对调压室内壁混凝土表面进行剥蚀，造成钢筋外露，强度降低，对水电站及建筑物构成威胁，通气洞的设置可有效的消除这些问题。在水电站过渡过程中，机组甩负荷、增负荷都将引起调压室水位上下波动，导致调压室内气体体积、压强、流速等物理量发生改变(即处于非恒定状态)，进而调压室内非恒定状态的气体作为扰动源引起通气洞内气体的非恒定流动，可能产生较大的风速。风速的大小关系到通气洞的安全使用和工程投资，因此需对风速进行精确模拟，据此认识清楚通气洞在过渡过程中的风速特征与变化机理，为通气洞的设计、优化等提供依据。对于调压室通气洞风速的模拟研究，前人尝试过试验和CFD模拟，但这两种方法都极为耗时耗力，应用起来很不方便与经济。一维的数值模拟方法可以快速高效的模拟气体的瞬变流过程，但是对于通气洞来说，其一端与调压室相连，存在气(通气洞气体)、液(调压室水面)的交界面，如何对该交界面的气液作用进行模拟是风速模拟的关键环节。另外，通气洞接大气端边界条件的模拟、气体瞬变流方程的建立、模拟程序的构建等等问题，都是整个风速模拟的重要环节。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是为克服现有技术的不足，提供一种基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法，实现调压室通气洞在过渡过程中的风速分布与变化的精确模拟。该方法建立了气液耦合模型，基于该气液耦合模型，进而建立了包含引水隧洞、调压室和通气洞在内的液体-气体运动整体模型，可以同时计算得到调压室水位波动变化过程和通气洞内各断面风速变化过程，反映了通气洞与调压室间的相互作用机理及通气洞内风速的波动本质。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法，包括以下步骤：步骤1，建立通气洞内的气体运动基本方程，建立引水隧洞内的液体运动基本方程，建立调压室涌浪基本方程，推求气体密度与压力及压缩性系数的关系，建立上游水库端、压力管道机组侧、通气洞接大气端及串联管连接处的边界条件，建立引水隧洞、调压室及通气洞内的流量和压力的初始条件；步骤2，基于调压室涌浪基本方程和通气洞内的气体运动基本方程，推导气液交界面耦合方程，建立调压室水位液面与通气洞气体分界面的气液耦合模型；利用所述气液耦合模型将通气洞内的气体运动基本方程、引水隧洞内的液体运动基本方程、调压室涌浪基本方程、气体密度与压力及压缩性系数的关系耦合在一起，建立包含引水隧洞、调压室和通气洞在内的液体-气体运动整体模型；步骤3，依据建立的包含引水隧洞、调压室和通气洞在内的液体-气体运动整体模型及特征线解法，结合针对设有通气洞的水电站引水隧洞与调压室建立的边界条件和初始条件，并对边界条件中的压力管道机组侧流量边界取不同流量变化过程，并采用计算机编程建立模拟程序，该模拟程序可以同时计算调压室水位波动和通气洞过渡过程中的风速。而且，对于所述气液耦合模型：在推导气液交界面耦合方程时，要用到调压室涌浪基本方程和通气洞内的气体运动基本方程，两组方程根据一定的假设建立联系，可以得到气液交界面耦合方程，然后与气体、液体压力管道的特征线解法联立，可以实现对气液耦合模型各计算参数的模拟计算。而且，所述调压室内涌浪水位基本方程为：1)动量方程和2)连续性方程QP1-QP2＝QS，式中：A为引水管道断面积，m2；L为引水管道长度,m；Z为调压室内的水位,m，以向上为正；k为阻力系数；QP1为1号管段末端面流量，m3/s；QP2为2号断面首断面流量，m3/s；QS为进出调压室的流量，m3/s，以进入调压室内为正。而且，所述气体管道流量边界方程为：1)连续方程：和2)动量方程：相关参数的定义如下：(a)M为质量流量，p为气体绝对压力，θ为管道断面形心连线与水平面的夹角，α为惯性因子，B为波速，g为重力加速度，f为Darcy-Weisbach摩阻系数，M＝ρvA；(b)波速可由状态方程计算得到：其中：ρ为气体密度、z为压缩性系数、R为气体常数、T为绝对温度；(c)当通气洞断面中心连线沿+x方向升高时，θ取正值。而且，所述假设具体为：假定在每个计算时长Δt内，调压室内水体体积的变化量等于G断面气体体积的变化量。而且，所述气液交界面耦合方程为：和式中：RS、K为中间变量，水头损失系数K＝Δt/(2F)，L为引水管道长度，F为调压室断面面积，R为管道水力半径，C为摩擦因子，ζ为局部回头损失系数，g为重力加速度；ρ为液体密度，ρ气为气体密度；CP，B1，CM，B2为特征线解法中间变量；CPP为气体管道G断面的中间变量；CBB为参数；P为t时刻交界断面处的压强；P-Δt为t-Δt时刻交界断面处的压强；ZS0为t-Δt时刻调压室水位；QS0为t-Δt时刻调压室内的流量；HP为t时刻P点的压力水头；QS为t时刻进出调压室内的流量。而且，所述模拟程序的计算过程如下：第1步：将引水隧洞和通气洞均划分为若干个计算子管段，同时形成计算断面，并选取计算时间步长；第2步：计算引水隧洞内液体流量和压力水头、通气洞管道内部气体流量和压力；第3步：计算上游边界结点流量和压力；第4步：计算下游边界结点流量和压力；第5步：在某一时刻每一网格结点上的变量值以及上、下游边界变量值计算已知后，再进行下一时刻变量的计算，并以此类推，计算至所需时长为止。本专利技术的有益效果是：此种风速模拟方法理论依据充分，实现方式简单。通过气液交界面的耦合，实现引水隧洞液体与通气洞气体的同时、联合模拟，能够真实反映管道液体及调压室水位波动对通气洞风速的影响，得到的风速模拟结果真实可信、精度高，并且计算稳定、速度快，可以方便用于不同体型的通气洞在不同运行工况下的风速的模拟，模拟结果可直接用于指导调压室与通气洞的设计，为通气洞的体型设计与优化提供了可靠的保障。附图说明图1设置通气洞的带调压室水电站引水发电系统示意图；图2气液耦合模型；图3特征网格与特征线；图4阻抗式调压室示意图；图5气液耦合模型各管道断面示意图；图6串联管边界条件；图7通气洞典型断面布置图；图8调压室涌浪对比图；图9A断面风速对比图；图10B断面风速对比图；图11C断面风速对比图；图12D断面风速对比图；图13本专利技术方法的流程框图。具体实施方式下面对本
技术实现思路
作进一步详细描述。气液耦合模型如图2所示。本专利技术建立通气洞气体和引水隧洞液体的瞬变流基本方程与特征线解法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立通气洞内的气体运动基本方程，建立引水隧洞内的液体运动基本方程，建立调压室涌浪基本方程，推求气体密度与压力及压缩性系数的关系，建立上游水库端、压力管道机组侧、通气洞接大气端及串联管连接处的边界条件，建立引水隧洞、调压室及通气洞内的流量和压力的初始条件；步骤2，基于调压室涌浪基本方程和通气洞内的气体运动基本方程，推导气液交界面耦合方程，建立调压室水位液面与通气洞气体分界面的气液耦合模型；利用所述气液耦合模型将通气洞内的气体运动基本方程、引水隧洞内的液体运动基本方程、调压室涌浪基本方程、气体密度与压力及压缩性系数的关系耦合在一起，建立包含引水隧洞、调压室和通气洞在内的液体‑气体运动整体模型；步骤3，依据建立的包含引水隧洞、调压室和通气洞在内的液体‑气体运动整体模型及特征线解法，结合针对设有通气洞的水电站引水隧洞与调压室建立的边界条件和初始条件，并对边界条件中的压力管道机组侧流量边界取不同流量变化过程，并采用计算机编程建立模拟程序，该模拟程序可以同时计算调压室水位波动和通气洞过渡过程中的风速。

【技术特征摘要】
1.一种基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立通气洞内的气体运动基本方程，建立引水隧洞内的液体运动基本方程，建立调压室涌浪基本方程，推求气体密度与压力及压缩性系数的关系，建立上游水库端、压力管道机组侧、通气洞接大气端及串联管连接处的边界条件，建立引水隧洞、调压室及通气洞内的流量和压力的初始条件；步骤2，基于调压室涌浪基本方程和通气洞内的气体运动基本方程，推导气液交界面耦合方程，建立调压室水位液面与通气洞气体分界面的气液耦合模型；利用所述气液耦合模型将通气洞内的气体运动基本方程、引水隧洞内的液体运动基本方程、调压室涌浪基本方程、气体密度与压力及压缩性系数的关系耦合在一起，建立包含引水隧洞、调压室和通气洞在内的液体-气体运动整体模型；步骤3，依据建立的包含引水隧洞、调压室和通气洞在内的液体-气体运动整体模型及特征线解法，结合针对设有通气洞的水电站引水隧洞与调压室建立的边界条件和初始条件，并对边界条件中的压力管道机组侧流量边界取不同流量变化过程，并采用计算机编程建立模拟程序，该模拟程序可以同时计算调压室水位波动和通气洞过渡过程中的风速。2.根据权利要求1所述的基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法，其特征在于：对于所述气液耦合模型：在推导气液交界面耦合方程时，要用到调压室涌浪基本方程和通气洞内的气体运动基本方程，两组方程根据一定的假设建立联系，可以得到气液交界面耦合方程，然后与气体、液体压力管道的特征线解法联立，可以实现对气液耦合模型各计算参数的模拟计算。3.根据权利要求2所述的基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法，其特征在于：所述调压室内涌浪水位基本方程为：1)动量方程和2)连续性方程QP1-QP2＝QS，式中：A为引水管道断面积，m2；L为引水管道长度,m；Z为调压室内的水位,m，以向上为正；k为阻力系数；QP1为1号管段末端面流量，m3/s；QP2为2号断面首断面流量，m3/s；QS为进出调压室的流量，m3/s，以进入调压室内为正。4.根据权利要求2所述的基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭文成，杨建东，陈闯闯，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42