一种无边界游泳池水跌流量计算方法技术

本发明专利技术公开了一种无边界游泳池水跌流量计算方法，包括以下步骤：A.利用gambit软件建立无边界游泳池模型；B.将建立的无边界游泳池模型导入Fluent软件中，选择k‑ε模型的RNG模式，调节欠松弛因子和初始条件，初始化后开始迭代计算；C.等迭代计算稳定收敛后，提取中间断面所有节点的海量有效数据，导入图形处理软件Tecplot中，调节水体积分数至0.95，同时调节显示云图指标，得到的最小单宽流量即为模型水膜不贴壁且不破时的最小流量；D.将有效节点的高度与流速值拟合成曲线，从曲线中查得固定宽度的无边界游泳池运行时，水膜不贴壁且不破的最小流量。本发明专利技术利用数值模拟技术确定了泳池宽度与水舌不贴壁且不破时水跌流量的关系。

A Method for Calculating Water Drop Flow in Unbounded Swimming Pool

【技术实现步骤摘要】
一种无边界游泳池水跌流量计算方法
本专利技术涉及无边界游泳池
，尤其是涉及一种无边界游泳池水跌流量计算方法。
技术介绍
无边界游泳池通过对游泳池边缘的特殊设计，使人感觉其没有边缘与池壁，以达到空间无限的视觉效果。其工作原理是在有限空间内使静止水体定向层流运动，而游泳者逆水流流动方向游动。无边界游泳池内水体经过边壁顶缘跌落属于堰流和水跌现象。堰流系堰上缓流经过堰顶溢流的急变流现象；堰顶溢流的水流情况，随堰顶厚度δ与堰上水头H的比值不同而变化，在水力学学科内依据δ/H比值，将堰分为薄壁堰(0.00≤δ/H＜0.67)、实用堰(0.67≤δ/H＜2.50)与宽顶堰(2.50≤δ/H＜10.00)三种；无边界游泳池边壁厚度与顶上水头的比值通常在2.50～10.00的范围内，因此无边界游泳池水流符合宽顶堰堰流特性。水跌系水流从缓流过渡到急流，水面急剧降落的急变流现象；无边界游泳池内水体流至边壁内边缘时为缓流状态，当水体在边壁顶面上流至外边缘的过程中水深变小，直至水跌跌坎断面时水深降至为临界水深，水流状态变为临界流，经跌坎断面后水体重力分力与空气阻力不相平衡，造成水流加速，水流状态变为急流。自跌坎断面下落的水体称为水舌；水舌落地点与游泳池边壁外边缘的垂直距离为水舌长度。近年来水力学科研工作者针对堰流、水跌及水舌展开了研究：1989年天津大学刘宣烈等[1]对三元空中水舌掺气扩散特性进行了分析研究，试验中采用近景立体摄影和电阻式掺气仪两种测量方法，对水舌断面含水浓度、沿程变化以及参数间的关系得到关系式，同时获得三元水舌纵、横向扩散规律，给出判定水舌维数的准则，为进一步研究掺气水舌的运动轨迹分析提供了参考价值；1999年长沙有色冶金设计院乐美承[2]研究了跌水水景设计的相关问题，即跌水流量计算、校核水舌长度，阐述了一般宽顶堰自由出流的流量计算公式、跌落水舌长度计算公式；2003年四川大学刁明军等[3]采用VOF法数值模拟了挑流消能水气二相流，研究了射流的空中轨迹线和水垫塘的自由水面，得到了计算域的流线、压力、流场、紊动能及紊动耗散率分布，并用物理模型对模拟结果进行了验证，数值模拟结果与物理模型实验数据吻合良好，说明利用湍流二相流模型及VOF法对空中射流水舌及水垫塘流态模拟是可行的；2017年贵勘院袁强等[4]研究了挑流消能二相流数值模拟在老坝治理中的应用，通过VOF模型与PISO算法对挑流消能从上游库区到下游水垫塘进行了水气二相流二维非恒定数值模拟，获得下泄水流的冲击情况。[01]刘宣烈，刘钧.三元空中水舌掺气扩散的试验研究[J].水利学报，1989，20(11)：10-17.[02]乐承美.跌水水景的设计[J].中国给水排水，1999，15(06)：34-35.[03]刁明军，杨永全，王玉蓉，刘善均.挑流消能水气二相流数值模拟[J].水利学报，2003，34(09)：77-82.[04]袁强，王新，骆少泽.挑流消能二相流数值模拟在老坝治理中的应用[J].四川水利，2017，39(05)：106-108.上述相关堰流、水跌及水舌的研究成果为无边界游泳池水跌流量研究提供了理论基础。但是目前还缺少对泳池宽度与水舌不贴壁且不破时水跌流量关系的计算研究。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种无边界游泳池水跌流量计算方法，利用数值模拟技术确定泳池宽度与水舌不贴壁且不破时水跌流量的关系。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种无边界游泳池水跌流量计算方法，包括以下步骤：A.利用gambit软件建立无边界游泳池模型，泳池宽度为20.0～80.0m、水流跌落高度为0.6m，规则区域剖分结构性网格，不规则区域剖分非结构性网格，网格偏斜率小于0.8，设置边界条件，导出模型；B.将建立的无边界游泳池模型导入AnsysFluent软件中，选择k-ε模型的RNG模式，调节欠松弛因子和初始条件，初始化后开始迭代计算，时刻观察迭代曲线，待计算稳定后，判断计算收敛程度；C.等迭代计算稳定收敛后，提取中间断面所有节点的海量有效数据，导入图形处理软件Tecplot中，调节水体积分数至0.95，同时调节显示云图指标，观察水体积分布云图：(1)若水膜贴壁或破裂，则增加单宽流量，重复步骤B和C，直至水膜达到不贴壁且不破的状态；(2)若水膜不贴壁且不破，则减小单宽流量，重复步骤B和C，直至水膜达到水膜贴壁或破裂的状态；(3)得到的最小单宽流量即为模型水膜不贴壁且不破时的最小流量；D.将有效节点的高度与流速值拟合成曲线，从曲线中查得固定宽度的无边界游泳池运行时，水膜不贴壁且不破的最小流量。进一步的，所述步骤B中，模型控制方程如下：连续性方程：动量方程：k方程：ε方程：其中，ρ为体积分数平均密度，μ为分子粘性系数，ui为流速分量，P为修正压力，μt为紊动粘性系数，Gk为平均速度梯度引起的紊动能产生项；μt、Gk、C2ε*的具体表达式如下：其中，η＝Sk/ε，S＝(2SijSij)0.5。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术鉴于物理模型试验对场地要求局限，同时根据数值模拟技术的科学合理性，利用数值模拟技术确定泳池宽度与水舌不贴壁且不破时水跌流量的关系，为无边界游泳池宽度为20～80m范围、跌落高度为0.6m、水舌不贴壁且不破时设计最小循环流量提供技术参考。附图说明图1是宽顶堰中心断面水体积分数云图；图2是单宽流量为0.00150mm3/s的水体积分数云图；图3是单宽流量为0.00155mm3/s的水体积分数云图；图4是单宽流量为0.00156mm3/s的水体积分数云图；图5是单宽流量为0.00157mm3/s的水体积分数云图；图6是单宽流量为0.00158mm3/s的水体积分数云图；图7是单宽流量为0.00159mm3/s的水体积分数云图；图8是单宽流量为0.00160mm3/s的水体积分数云图；图9是单宽流量为0.00164mm3/s的水体积分数云图；图10是单宽流量为0.00170mm3/s的水体积分数云图；图11是单宽流量为0.00200mm3/s的水体积分数云图；图12是高度与流速拟合曲线；图13是无边界游泳池宽度为20m时跌坎水深与流速的关系曲线；图14是无边界游泳池宽度为30m时跌坎水深与流速的关系曲线；图15是无边界游泳池宽度为40m时跌坎水深与流速的关系曲线；图16是无边界游泳池宽度为50m时跌坎水深与流速的关系曲线；图17是无边界游泳池宽度为60m时跌坎水深与流速的关系曲线；图18是无边界游泳池宽度为70m时跌坎水深与流速的关系曲线；图19是无边界游泳池宽度为80m时跌坎水深与流速的关系曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。一种无边界游泳池水跌流量计算方法，包括以下步骤：A.利用gambit软件建立无边界游泳池模型，泳池宽度为20.0～80.0m、水流跌落高度为0.6m，规则区域剖分结构性网格，不规则区域剖分非结构性网格，网格偏斜率小于0.8，设置边界条件，导出模型；B.将建立的无边界游泳池模型导入AnsysFluent软件中，选择k-ε模型的RNG模式，调节欠松弛因子和初始条件，初始化后开始迭代计算，时刻观察迭代曲线，待计算稳定后，判断计算收敛程度；C.等本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无边界游泳池水跌流量计算方法，其特征在于：所述计算方法包括以下步骤：A.利用gambit软件建立无边界游泳池模型，泳池宽度为20.0～80.0m、水流跌落高度为0.6m，规则区域剖分结构性网格，不规则区域剖分非结构性网格，网格偏斜率小于0.8，设置边界条件，导出模型；B.将建立的无边界游泳池模型导入Ansys Fluent软件中，选择k‑ε模型的RNG模式，调节欠松弛因子和初始条件，初始化后开始迭代计算，时刻观察迭代曲线，待计算稳定后，判断计算收敛程度；C.等迭代计算稳定收敛后，提取中间断面所有节点的海量有效数据，导入图形处理软件Tecplot中，调节水体积分数至0.95，同时调节显示云图指标，观察水体积分布云图：(1)若水膜贴壁或破裂，则增加单宽流量，重复步骤B和C，直至水膜达到不贴壁且不破的状态；(2)若水膜不贴壁且不破，则减小单宽流量，重复步骤B和C，直至水膜达到水膜贴壁或破裂的状态；(3)得到的最小单宽流量即为模型水膜不贴壁且不破时的最小流量；D.将有效节点的高度与流速值拟合成曲线，从曲线中查得固定宽度的无边界游泳池运行时，水膜不贴壁且不破的最小流量。

【技术特征摘要】
1.一种无边界游泳池水跌流量计算方法，其特征在于：所述计算方法包括以下步骤：A.利用gambit软件建立无边界游泳池模型，泳池宽度为20.0～80.0m、水流跌落高度为0.6m，规则区域剖分结构性网格，不规则区域剖分非结构性网格，网格偏斜率小于0.8，设置边界条件，导出模型；B.将建立的无边界游泳池模型导入AnsysFluent软件中，选择k-ε模型的RNG模式，调节欠松弛因子和初始条件，初始化后开始迭代计算，时刻观察迭代曲线，待计算稳定后，判断计算收敛程度；C.等迭代计算稳定收敛后，提取中间断面所有节点的海量有效数据，导入图形处理软件Tecplot中，调节水体积分数至0.95，同时调节显示云图指标，观察水体积分布云图：(1)若水膜贴壁或破裂，则增加单宽流量，重...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘书通，王勇，杜刚，祝长英，
申请(专利权)人：河北九易庄宸科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13