一种大型平开闸排洪防潮运行调度的数值模拟方法技术

本发明专利技术公布了一种大型平开闸排洪防潮运行调度的数值模拟方法，该模拟方法首先建立二维数学模型，计算河道各频率洪水过程，潮位过程，然后通过所述二维数学模型对河道实际的潮位过程、流速、流量过程进行验证，二维数学模型基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier‑Stokes方程，并服从于Boussinesq假定和静水压力的假定，通过对平开闸门开度逐级分解、各级开度模拟时计算初始条件相应调整的方法实现其启闭过程的动态模拟。本发明专利技术解决了利用河工物理模型来实现平开闸启闭模拟会由于比尺效应等导致结果失真，以及在河道二维数学模型中暂时无法直接实现平开闸动态启闭过程模拟的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种大型平开闸排洪防潮运行调度的数值模拟方法
本专利技术属于排洪防潮运行调度模拟计算方法
，具体涉及一种大型平开闸排洪防潮运行调度的数值模拟方法。
技术介绍
平开闸门型式具有新颖、跨度大、运行方式独特等特点，同时具有弧形闸门和横拉门的特点，对于大跨度低水头的防洪工程具有重要的应用价值。位于感潮河道上的平开闸，所述平开闸也是挡潮闸，其正常的运行方式为涨潮时关闸挡水，落潮时开闸泄水，挡潮时闸上河道起临时调节作用，泄水时过闸流态为变量变速流，水位、流量及流速均在不断地变化，情况相当复杂。一般可通过河工物理模型来实现平开闸排洪防潮运行调度过程的模拟，但物理模型比尺效应等会导致模拟失真，在河道二维数学模型中亦暂时无法直接实现平开闸动态启闭过程的模拟，本方法对平开闸的启闭过程进行分段模拟，分为全关、1/3开度、2/3开度及全开，所以可以利用河道二维数学模型实现大型平开闸排洪防潮运行调度过程的仿真模拟，为挡潮闸实际运行调度提供科学依据。
技术实现思路
（1）要解决的技术问题本专利技术为了克服河工物理模型来实现平开闸排洪防潮运行调度过程的模拟，但物理模型比尺效应等会导致模拟失真，而且在河道二维数学模型中暂时无法实现平开闸动态启闭过程的模拟的缺点，为解决以上技术问题，本专利技术提供一种大型平开闸排洪防潮运行调度的数值模拟方法，该模拟方法首先建立二维数学模型，计算河道各频率洪水过程，潮位过程，然后通过所述二维数学模型对河道实际的潮位过程、流速、流量过程进行验证。本专利技术解决了河工物理模型来实现平开闸排洪防潮运行调度过程的模拟，但物理模型比尺效应等会导致模拟失真，而且在河道二维物理模型中暂时无法实现平开闸动态启闭过程的模拟的技术问题。（2）技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供本专利技术提供一种大型平开闸排洪防潮运行调度的数值模拟方法，建立二维数学模型，计算河道各频率洪水过程，潮位过程，通过所述二维数学模型对河道实际的潮位过程、流速、流量过程进行验证。所述二维数学模型包括以下计算方法：a.基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服从于Boussinesq假定和静水压力的假定；二维非恒定浅水方程组为：（2a-1）（2a-2）（2a-3）式中：为时间；为笛卡尔坐标系坐标；为水位；为静止水深；为总水深；分别为方向上的速度分量；是哥氏力系数，，为地球自转角速度，为当地纬度；为重力加速度；为水的密度；分别为辐射应力分量；为源汇项，为源汇项水流流速。b．分析确定水闸运行调度特征水位，所述特征水位包括正常蓄水位、汛限水位、设计洪水位、校核洪水位，模拟运行中先开中间平板闸、再开两侧弧形闸，进行防洪排涝过程模拟：①第一阶段，t0时刻，开启平板闸泄流；②第二阶段，t1时刻，根据步骤a的二维数学模型，采用分段逐步开启进行模拟的方式，首先将弧形闸开启1/3开度，选择t1时刻的流场作为第二阶段计算的初始条件，计算0.5h后，即t2时刻，进入第三阶段计算；③第三阶段，弧形闸开启2/3开度，选择t2时刻的流场作为第三阶段计算的初始条件，计算0.5h后，即t3时刻，进入第三阶段计算；④第四阶段，弧形闸全开，选择t3时刻的流场作为第四阶段计算的初始条件，计算0.5h后，即t4时刻，进入第四阶段计算；⑤第五阶段，关闭弧形闸，即t4时刻；第五阶段计算从t4时刻之后的0.5h开始，即t5时刻，初始条件选择t4时刻流场，弧形闸关闭1/3开度；⑥第六阶段，t5时刻之后0.5h开始第六阶段计算，即t6时刻，弧形闸关闭2/3开度，初始条件选择t5时刻流场；⑦第七阶段，t6时刻之后0.5h开始第六阶段计算，即t7时刻，弧形闸全关，初始条件选择t6时刻流场，此后进入平板闸常规调度，候潮启闭。所述二维数学模型中的和是平均深度的速度，被定义为：（3-1）所述为水平粘滞应力项，包括粘性力、紊流应力和水平对流，所述根据沿水深平均的速度梯度用涡流粘性方程求得：（4-1）根据推导，笛卡尔坐标系下模型基本方程表示成如下形式：（5-1）式中：为守恒型物理向量；为通量向量；为源项；上标和分别为无粘性和粘性通量。所述控制方程（5-1）在空间上采用非结构化网格下的有限体积法进行离散，该方法的优点在于能很好保证水流模型中水量和动量守恒，在时间上采用显性欧拉法进行离散。数学模型参数的选择：（1）计算河段网格布置采用非结构三角网格，网格8598个，节点4871个。（2）动边界处理在计算过程中，计算域内部分节点在涨水时会被“淹没”，在落水时会“干出”。为正确反映这部分节点的干湿变化，避免模型计算出现不稳定性，模型中采用了以下动边界处理技术：分别设定一干水深（dryingdepth）、淹没水深（flooddepth）、湿水深（wetdepth），且、、必须满足。当某一网格单元的水深小于湿水深时，在此单元上的水流计算会被相应调整。当某一网格单元的水深小于干水深时，此单元会被冻结不参与计算，直至重新被淹没为止，模型中基于淹没深度参数来判定某一网格单元是否处于淹没状态；当某一网格单元处于淹没状态，但水深小于湿水深时，模型中在该网格点处不再进行动量方程的计算，仅计算连续方程。模拟中设定完全湿单元与完全干单元的水深阈值分别为0.1m与0.005m，即水深大于0.1的单元为完全湿单元，水深小于0.005m的单元不参加计算，水深介于两者之间的单元为半湿润单元。（3）参系数取值水流数模计算涉及的主要参系数有河道糙率、涡粘系数。河道糙率是一个综合阻力系数，反映了计算河段的河床河岸阻力、河道形态变化、水流阻力及河道地形概化因素的综合影响。计算所采用的河道糙率主要由实测水流资料率定计算确定。（3）有益效果本专利技术的有益效果：该模拟方法首先建立二维数学模型，计算河道各频率洪水过程，潮位过程，然后通过所述二维数学模型对河道实际的潮位过程、流速、流量过程进行验证，本专利技术利用河道二维数学模型实现大型平开闸排洪防潮运行调度过程的仿真模拟，为挡潮闸实际运行调度提供了科学依据。附图说明图1为弧形闸完全闭合的模拟效果示意图；图2为弧形闸开启1/3开度的模拟效果示意图；图3为弧形闸开启2/3开度的模拟效果示意图；图4为弧形闸全开度的模拟效果示意图；图5为木兰陂100年一遇洪水遭遇东甲-3.18m潮位组合闸上闸下水位变化过程；图6为木兰陂100年一遇洪水遭遇东甲-0.36m潮位组合闸上闸下水位变化过程；图7为木兰陂100年一遇洪水遭遇东甲1.52m潮位组合闸上闸下水位变化过程；图8为木兰陂100年一遇洪水遭遇东甲4.74m潮位组合闸上闸下水位变化过程。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术实施例中的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。实施例一本实施例以福建省莆田市木兰溪木兰陂宁海闸为实施例，宁海闸是中间平板闸加两侧平开弧形闸，本实施例提供一种大型平开闸排洪防潮运行调度的数值模拟方法，建立二维数学模型，计算河道各频率洪水过程，潮位过程，通过所述二维数学模型对河道实际的潮位过程、流速、流量过程进行验证。所述二维数学模型包括以下计算方法：a.基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服从于Boussinesq假定和静水压力的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型平开闸排洪防潮运行调度的数值模拟方法，其特征是，建立二维数学模型，计算河道各频率洪水过程，潮位过程，通过所述二维数学模型对河道实际的潮位过程、流速、流量过程进行验证；所述二维数学模型包括以下计算方法：a.基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier‑Stokes方程，并服从于Boussinesq假定和静水压力的假定；二维非恒定浅水方程组为：

【技术特征摘要】
1.一种大型平开闸排洪防潮运行调度的数值模拟方法，其特征是，建立二维数学模型，计算河道各频率洪水过程，潮位过程，通过所述二维数学模型对河道实际的潮位过程、流速、流量过程进行验证；所述二维数学模型包括以下计算方法：a.基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服从于Boussinesq假定和静水压力的假定；二维非恒定浅水方程组为：（2a-1）（2a-2）（2a-3）式中：为时间；为笛卡尔坐标系坐标；为水位；为静止水深；为总水深；分别为方向上的速度分量；是哥氏力系数，，为地球自转角速度，为当地纬度；为重力加速度；为水的密度；分别为辐射应力分量；为源汇项，为源汇项水流流速；b．分析确定水闸运行调度特征水位，所述特征水位包括正常蓄水位、汛限水位、设计洪水位、校核洪水位，模拟运行中先开中间平板闸、再开两侧弧形闸，进行防洪排涝过程模拟：①第一阶段，t0时刻，开启平板闸泄流；②第二阶段，t1时刻，根据步骤a的二维数学模型，采用分段逐步开启进行模拟的方式，首先将弧形闸开启1/3开度，选择t1时刻的流场作为第二阶段计算的初始条件，计算0.5h后，即t2时刻，进入第三阶段计算；③第三阶段，弧形闸开启2/3开度，选择t2时刻的流场作为第三阶段计算的初始条件，计算0.5h后，即t3时刻，进入第三阶段计算；④第四阶段，弧形闸全开，选择t3时刻的流场作为第...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡朝阳，梁越，何承农，付开雄，蔡庆通，叶丽清，王新强，王乐乐，柯明辉，
申请(专利权)人：福建省水利水电勘测设计研究院，
类型：发明
国别省市：福建,35