【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于流体动力学领域，具体涉及一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法。
技术介绍
1、在国内各类渠道中梯形溢流坝通常用作灌溉结构，具有短坝顶的梯形剖面的堰用于将河水引向灌溉渠用于灌溉庄稼和农作物。通常在梯形溢流坝装置中配有控制流量的闸门，可以根据作物灌溉水量的需要来调节上游水位，从而达到灌溉要求。此外，此类梯形溢流坝还可以根据闸门开度和梯形溢流坝上游及下游水位来充当流量测量装置。然而有研究表明，在测量流量时流场的改变决定了流量的预测精度。通常随着梯形溢流坝上、下游水位相对位置的变化，梯形溢流坝的下游水流流场在自由出流和淹没出流两种形态中切换。通常发生洪水或大流量工况时，梯形溢流坝下游流场处于淹没出流状态，而日常小流量工况使用，梯形溢流坝下游流场处于自由出流状态。
2、梯形溢流坝的流场除了受下游出流状态影响之外，还受梯形溢流坝几何构造的影响，主要包括梯形溢流坝的坝顶宽度、上游坡度和下游坡度。虽然有部分学者有针对地进行了一些研究，但是均只考虑某一个因素，或者基于一些古老的公式进行了一些不太符合逻辑的修改，这导致过去学者们提出的流量预测公式缺乏科学性和系统性，使得流量预测精度大打折扣。需要指出的是，本技术在预研究中发现，上游坡度和下游坡度的临界点均在1:1，换言之，上游坡度或下游坡度在缓于1:1或陡于1:1时，梯形溢流坝中流场均发生较大的改变，这正是过去研究者没有考虑的，他们均将所有坡度综合考虑，包括上游坡度和下游坡度为直角的情况（均为直角时为宽顶堰或薄壁堰），这导致流量预测的精度大受影响。本技术受经费和时
3、随着计算流体动力学（cfd）和云计算技术的快速发展，由于其具有建模便捷、可直接对原型进行模拟、试验重复性较好等优点，数值模拟方法逐渐成为一种非常有效的研究手段。但是现有技术中还没有利用数值试验手段精确预测梯形溢流坝流量的方法。中国专利公开号cn106844913b中公开了一种基于三维计算流体动力学（cfd）的滞留气团热力学特性模拟方法，该专利利用三维计算流体动力学（cfd）进行了滞留气团的热力学分析，但是其方法不能用于预测梯形溢流坝的流量。因此，如何利用计算流体动力学（cfd）方法来准确预测梯形溢流坝的流量是一个非常值得研究的课题，它将有效指导实际工程中梯形溢流坝的设计与优化，并显著提高水利管理部门的决策效率。本技术主要针对小流量工况，即梯形溢流坝下游处于自由出流状态的流量预测进行研究，从而提出一种适用于自由出流条件的梯形溢流坝的流量预测办法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，能够简便、准确和合理地预测梯形溢流坝的流量，有效地保证了梯形溢流堤的经济、安全和稳定运行。
2、本专利技术的技术方案：一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，包括以下步骤：
3、步骤s1：对缩尺的梯形溢流坝进行物理模型试验，建立梯形溢流坝渠道物理模型；在模型试验流量qt条件下测得物理模型试验时，沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流断面水深hi；
4、步骤s2：对步骤s1中建立的梯形溢流坝渠道物理模型进行数值计算，计算收敛后导出结果，通过计算流体动力学后处理软件进行后处理；在与步骤s1几何尺寸相同的梯形溢流坝的条件下，计算得到相同模型试验流量qt条件下测得数值模拟时，沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流横断面对应水深hi；
5、步骤s3：对步骤s2中数值模拟时对应水深hi数据集与步骤s1中物理模型试验时对应水深hi数据集进行逐点对比，找到所有数值逐点相对误差绝对值均不超过η%的计算工况，即|hi-hi|/hi≤η%，输出对应的数值模拟方法；
6、步骤s4：根据梯形溢流坝的流量q表达式q=cdb(2gh03)1/2得到梯形溢流坝流量系数cd的表达式；其中b为渠道宽度，g为重力加速度，h0为梯形溢流坝上游总能量水头；a、b、c、k和为常数系数，ξ为相对坝顶宽度，θu表示上游坡度，θd表示下游坡度；
7、步骤s5：对不同几何条件的梯形溢流坝进行计算流体动力学计算，采用统计产品与服务解决方案spss软件对相对坝顶宽度ξ，上游坡度θu，下游坡度θd和梯形溢流坝流量系数cd进行非线性拟合，得到常数系数a、b、c、k和的具体值记为a*、b*、c*、k*和，将常数系数具体值反代入梯形溢流坝流量系数cd的表达式，得到梯形溢流坝流量系数表达式；
8、步骤s6：将步骤s5得到的梯形溢流坝流量系数表达式代入步骤s4梯形溢流坝的流量q表达式，得到梯形溢流坝的流量q的表达式为：
9、；
10、将坝顶宽度lc、坝顶高度hl、上游坡度θu和下游坡度θd安置在梯形溢流坝给定渠道宽度b中，实时测得梯形溢流坝上游总能量水头h0，求得梯形溢流坝中的实时流量；或者测得梯形溢流坝上游水深hp求解可得梯形溢流坝的流量q。
11、进一步的，步骤s1中对缩尺的梯形溢流坝进行物理模型试验，应保证梯形溢流坝的下游水流状态始终为自由出流，具体方法为：
12、在梯形溢流坝的上游逐渐增加模型试验流量qt，在梯形溢流坝下游设置尾门并控制尾门的开度，同时监测梯形溢流坝上游水位ht和下游水位tt，随着下游水位tt逐渐上升，始终保证梯形溢流坝上游水位ht变化明显不超过1mm。
13、进一步的，步骤s1中缩尺的梯形溢流坝渠道物理模型，具体参数为：
14、渠道几何长度为l，梯形溢流坝渠道横跨渠道贯穿布置；
15、梯形溢流坝几何参数为：坝顶高度hl，坝顶宽度lc，上游坝顶拐点到上游坝脚拐点的水平距离为hu，下游坝顶拐点到下游坝脚拐点的水平距离为hd，其中上游坡度为上游坡度对应的坝顶高度hl与上游坝顶拐点到上游坝脚拐点的水平距离hu的比值，下游坡度为下游坡度对应的坝顶高度hl与下游坝顶拐点到下游坝脚拐点的水平距离hd的比值；
16、上游坡度和下游坡度的陡度均不低于1:1；
17、物理模型试验采用正态物理模型，综合考虑物理模型水流在阻力平方区要求，选取物理模型线性比尺λl，物理模型采用重力相似准则设计，角度比λγ，流速比λv=λl0.5，流量比λq=λl2.5，糙率比λn=λl1/6，梯形溢流坝渠道流量qp=λq×qt。
18、进一步的，步骤s1中物理模型试验时沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流断面水深hi，i为随机断面编号；对应的步本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S1中对缩尺的梯形溢流坝进行物理模型试验，应保证梯形溢流坝的下游水流状态始终为自由出流，具体方法为：
3.根据权利要求2所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S1中缩尺的梯形溢流坝渠道物理模型，具体参数为：
4.根据权利要求3所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S1中物理模型试验时沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流断面水深hi，i为随机断面编号；对应的步骤S2中数值模拟时沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流横断面对应水深Hi ，i断面编号与步骤S1中相同。
5.根据权利要求4所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S2中梯形溢流坝进行数值计算，具体为：
6.根据权利要求5所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特
7.根据权利要求6所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S5中：对不同几何条件的梯形溢流坝进行计算流体动力学计算，具体为：
8.根据权利要求7所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S5中：对梯形溢流坝进行计算流体动力学计算，梯形溢流坝的上游坡度θu和下游坡度θd的陡度均不低于1:1，并且梯形溢流坝的下游水流状态始终为自由出流。
9.根据权利要求8所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S5在梯形溢流坝渠道进行计算流体动力学计算中采用步骤S3中输出的对应的数值模拟方法。
10.根据权利要求9所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤S6中：测得梯形溢流坝上游水深Hp，求解可得梯形溢流坝的流量Q，具体步骤为：
...【技术特征摘要】
1.一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤s1中对缩尺的梯形溢流坝进行物理模型试验，应保证梯形溢流坝的下游水流状态始终为自由出流，具体方法为：
3.根据权利要求2所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤s1中缩尺的梯形溢流坝渠道物理模型，具体参数为：
4.根据权利要求3所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤s1中物理模型试验时沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流断面水深hi，i为随机断面编号；对应的步骤s2中数值模拟时沿梯形溢流坝渠道对称纵断面上、梯形溢流坝上游不同过流横断面对应水深hi ，i断面编号与步骤s1中相同。
5.根据权利要求4所述的一种通过计算流体动力学预测梯形溢流坝流量的方法，其特征在于：步骤s2中梯形溢流坝进行数值计算，具体为：
6.根据权利要求5所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓明，许小华，杨培生，张霖，袁琪亮，石莎，时硕硕，崔昊旻，
申请(专利权)人：江西省水利科学院江西省大坝安全管理中心，江西省水资源管理中心，
类型：发明
国别省市：
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