一种对河道冲刷下切治理方案优化的方法技术

本发明专利技术提供一种对河道冲刷下切治理方案优化的方法，整个方法基于Fluent软件，只需在河道下切治理方案实施前对整个河道进行数值模拟，并对模拟结果进行河道水流流态分析、河道和防护建筑物压力分析、防护建筑物剪应力分析，根据分析结果指导方案优化。该方法利用Revit建模的强大性、hypermesh划分网格的高质量性、Fluent先进的流体数值模拟方法和Tecplot或CFD

【技术实现步骤摘要】
一种对河道冲刷下切治理方案优化的方法


[0001]本专利技术涉及河道设计领域，特别涉及一种对河道冲刷下切治理方案优化的方法。

技术介绍

[0002]我国水资源丰富，江河湖泊众多。河道作为水资源的载体，是关系人类生存和生活的一种最基本自然资源，水资源的开发、利用管理包离不开河道这一重要载体。河道作为水系的一部分，在水系生态保持和水利工程建设等方面发挥着重要作用。在城区河道中，受降水冲击、地下水位变动等因素的影响，河道经常发生河床冲刷下切现象，因此而导致的岸坡失稳情况普遍存在。
[0003]河床冲刷下切对河流带来的影响是多方面的，不仅对河流本身有明显影响，对环境、生态等方面也会带来不同程度的影响。它直接影响到同流量下水位降低幅度，关系着防洪安全和两岸地下水蕴藏量；沿程纵剖面变化关系到水面坡降、流速变化，影响着航运条件。下游河床冲刷表现在几个方面 :纵向冲刷，横向冲刷；主槽冲刷，滩地坍塌，突出表明河床冲刷是很严重的 。
[0004]为防止河床过度下切对岸坡的破坏，目前的护岸措施主要表现为硬质的结构形式：（1）例如干浆砌石、浆砌石、铰链模袋混凝土沉排、预制混凝土六方块、预制混凝土四方块等水上护岸型式；（2）例如抛石、铰链混凝土板沉排、铰链模袋混凝土沉排、软体排、土工织物砂排、四面六边透水框架群、钢筋混凝土网架促淤沉箱等水下护型式；（3）例如枯水平台以下在坡脚堆石、打桩、石笼、软体排等措施，枯水平台以上采用浆砌或干砌块石、无纺布反滤层上覆盖碎石层或干砌石、混凝土预制块、模袋混凝土护坡。
[0005]尽管上述的工程措施可以有效防止河床过度下切对岸坡的破坏，但河床冲刷下切治理方案的运用效果只能通过人工计算和经验进行判断，其评判分析过程不够直观，易受个人主观判断的影响。
[0006]针对目前的河床冲刷下切治理方式，有必要提出科学可靠的方式，对治理方案进行数值模拟以降低方案布置的盲目性，更科学、可靠和有效治理河流冲刷性河道下切问题。其中Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的CFD商业软件之一，其包含丰富、经过工程确认的物理模型，能够精确地模拟河流的复杂流动问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述河床冲刷下切治理问题存在的缺陷，提供一种对河道冲刷下切治理方案优化的方法，该方法基于Fluent软件，能够将工程性问题变成数学问题，其方法步骤简单、实现方便、可操作性强,大幅度提高了河床冲刷下切治理方案实施效率，节约了成本，而且能确保满足河道防护要求。
[0008]本专利技术采用的技术方案为：一种对河道冲刷下切治理方案优化的方法，该对河道冲刷下切治理方案优化的方法包括以下步骤；
步骤一、河道冲刷下切抑制治理方案数值模型的建立：步骤101、建立河道三维模型：根据工程图纸和地质报告，采用CAD三维建模软件对河道进行三维模型的建立；步骤102、建立流场：以河道三维为基础建立流场模型并输出.sat文件；步骤二、河道冲刷下切抑制治理方案CFD仿真：步骤201、计算前处理：将步骤102中的.sat文件导入hypermesh，利用hypermesh对建立流场模型进行网格划分，输出.cas文件；步骤202、仿真计算和仿真模拟：将步骤201中的.cas文件导入FLUENT软件，采用基于压力绝对速度条件下的瞬时流态进行仿真计算；在河道水流达到洪峰时，河道与大气相连，设置边界条件，通过对河道边坡防护建筑物所受的压力，速度以及残差曲线进行监控，完成水流对河道及边坡防护建筑物的仿真模拟；步骤203、模拟结果处理：将仿真模拟结果的.dat文件导入CFD
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POST中，生成水流流态云图、水流流速云图、应力云图；步骤三、计算结果分析：根据步骤203生成的水流流态云图、水流流速云图、应力云图，对不同水位下河道下的水流流态、河道边坡防护建筑物及河道的压力以及河道边坡防护建筑物的剪应力云图进行分析，其中包括不同流速对河道不同位置处的冲刷情况、河道和河道壁面在水位变化时所受压力、不同水位的水流对挡墙的剪切作用进行分析；步骤四、治理方案优化：根据分析结果，对比设计要求和标准，对河道护坡防护效果进行评价；若不满足要求和标准则对治理方案，则进行调整，并重复步骤一到步骤三，直到模拟结果满足河道防护要求，对比多次数值模拟输出的模拟图形数据，得到河道冲刷下切治理方案优化的最佳参数。
[0009]进一步，河道冲刷下切抑制治理方案数值模型的建立过程中，在步骤102后还可以进行步骤103、选择模拟工况；洪峰时河道边坡受到冲刷最大，计算流量采用洪峰流量，由于河道冲刷下切过流断面面积会发生变化，所以选用不同的断面流速，模拟不同流速下道冲刷下切治理方案的运行状况。
[0010]进一步，步骤三计算结果分析过程中可以结合模拟工况对不同流速对河道不同位置处的冲刷情况、河道和河道壁面在水位变化时所受压力、不同水位的水流对挡墙的剪切作用进行分析。
[0011]进一步，所述步骤201中的网格采用四面体非结构化网格。
[0012]进一步，所述步骤202仿真计算和仿真模拟过程中的边界条件包括设置速度进口、压力出口；速度进口和压力出口能够根据相关资料，获取水流进口速度大小、湍流强度、湍流粘性比、上下游水位求解参数。
[0013]进一步，所述步骤202仿真计算过程包括计算模型选择、初始化、模拟计算；计算模型选择：选取Realizable的k
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ε模型，采用SIMPLEC算法；初始化：采用FLUENT软件的initializations对流场进行初始化操作，完成数值模拟计算的初始化条件；模拟计算：选择好合适时间步长，进行模拟计算并输出.dat文件。
[0014]本专利技术与现有技术相比具有以下优点：
1、方法步骤简单、实现方便且投入成本相对较低；无需缩尺模型试验、提高工作效率。
[0015]2、可视化程度更高，时间成本低、避免重复性工作。
[0016]3、Fluent软件中物理模型种类多可满足不同需求，模拟不同情况下的河流变化，计算结果更具有可靠性。
[0017]4、使用效果好且实用价值高，大幅度简化河道下切治理方案的优化步骤，节约了成本，而且能确保河道边坡处理施工的安全，使得河道边坡治理效果变得更可控、更规范。
[0018]综上所述，本专利技术利用Revit建模的强大性、hypermesh划分网格的高质量性、Fluent先进的流体数值模拟方法和Tecplot或CFD
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Post模拟结果后处理的直观性，将河床冲刷下切治理方案优化的工程性问题变成数学问题。采用上述仿真模拟技术，建立与实际体系一致的河道模型，对河床冲刷下切治理进行模拟，根据模拟结果，优化河道治理建筑物结构参数，为河床冲刷下切治理方案提供了优化指导。本专利技术方法步骤简单、实现方便、可操作性强、大幅度简化河道下切治理方案的优化步骤，节约了成本，而且能确保治理方案施工的使用效果。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的总体方案示意图；图2为本专利技术的方案中河道典型断面图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种对河道冲刷下切治理方案优化的方法，其特征在于：该对河道冲刷下切治理方案优化的方法包括以下步骤；步骤一、河道冲刷下切抑制治理方案数值模型的建立：步骤101、建立河道三维模型：根据工程图纸和地质报告，采用CAD三维建模软件对河道进行三维模型的建立；步骤102、建立流场：以河道三维为基础建立流场模型并输出.sat文件；步骤二、河道冲刷下切抑制治理方案CFD仿真：步骤201、计算前处理：将步骤102中的.sat文件导入hypermesh，利用hypermesh对建立流场模型进行网格划分，输出.cas文件；步骤202、仿真计算和仿真模拟：将步骤201中的.cas文件导入FLUENT软件，采用基于压力绝对速度条件下的瞬时流态进行仿真计算；在河道水流达到洪峰时，河道与大气相连，设置边界条件，通过对河道边坡防护建筑物所受的压力，速度以及残差曲线进行监控，完成水流对河道及边坡防护建筑物的仿真模拟；步骤203、模拟结果处理：将仿真模拟结果的.dat文件导入CFD
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POST中，生成水流流态云图、水流流速云图、应力云图；步骤三、计算结果分析：根据步骤203生成的水流流态云图、水流流速云图、应力云图，对不同水位下河道下的水流流态、河道边坡防护建筑物及河道的压力以及河道边坡防护建筑物的剪应力云图进行分析，其中包括不同流速对河道不同位置处的冲刷情况、河道和河道壁面在水位变化时所受压力、不同水位的水流对挡墙的剪切作用进行分析；步骤四、治理方案优化：根据分析结果，对比设计要求和标准，对河道护坡防护效果进行评价；若不满足要求和标准则对治理方案，则进行调整，并重复步骤一到步骤三，直到模拟结果满足河道防护要...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵建敏，庞林军，姚巍，江鸿鹏，龚超，潘宜蕾，余国爱，邓淇才，郭维昶，杜明峰，牛小龙，范仲元，
申请(专利权)人：中国水利水电第十四工程局有限公司，
类型：发明
国别省市：