一种基于CFD的水闸过流流量计算方法与流程

本发明属于水利工程领域，涉及一种水闸过流流量计算方法，尤其是涉及一种基于cfd软件的水闸过流流量计算方法。

背景技术：

水流受闸门控制经闸门底缘和闸底板之间孔口的出流称为闸孔出流。在闸门的设计中，常需根据过流流量进行计算与校核。此外，在闸门出现故障时，其过流流量也成为指导闸门维修、校核闸门强度的关键参数之一。然而，目前过流流量一般根据经验公式计算，在工程实践中常出现与实际情况偏差较大的情况。为此，有必要研究一种能够可靠计算水闸过流流量的计算方法，为工程实践提供更可靠的指导。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对目前过流流量一般根据经验公式计算，在工程实践中常出现与实际情况偏差较大，水闸过流流量计算精度不足等缺陷，提出一种基于cfd的水闸过流流量计算方法，以提高过流流量计算精度。

本发明的技术方案是：一种基于cfd的水闸过流流量计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(a)建立水闸计算域几何模型；

(b)网格划分；

(c)cfd计算设置；

(d)判断c设置的流量是否满足收敛性要求。

步骤(a)中所述建立水闸计算域几何模型的方法如下：

(1)根据水闸几何参数，采用三维建模软件建立水闸的三维几何模型；

(2)以闸门位置为基准，上游水流入口与下游出口到闸门的距离取适当值，获得包含水闸在内的流道三维模型，此为水所在的计算域；

(3)将上游与下游的水面在高度方向进行适当延伸，此为空气所在计算域。

步骤(b)中所述的网格划分方法如下：

(1)将步骤(a)中建立的计算域导出至icemcfd，对其进行网格划分；

(2)设置合适的网格参数，确保网格在水闸附近加密；

(3)同时为捕捉水与空气交界面，水面附近网格同样须加密；

(4)网格单元总数应控制在一定数量以上，保证计算的可靠性。

步骤(c)中所述的cfd计算设置方法如下：

(1)将步骤(b)中划分好的网格导入cfd软件ansyscfx进行设置；

(2)计算模型及计算方法：基于雷诺时均n-s方程进行流动计算，在均相流模型下采用标准自由表面模型捕捉水面的变化，湍流模型采用标准k-ε模型，采用highresolution格式对时均n-s方程中各项进行离散；

(3)设置边界条件：水域进口采用流量进口条件，水的体积分数设置为1，空气体积分数为；出口条件采用流量出口条件，流量按如下公式进行预估：

式中，σs为淹没系数，μ0为闸孔自由出流的流量系数，e为闸门开启高度，b为每孔净宽，h0为包括行近流速水头的闸前水头，g为重力加速度；面板宽度方向的中线所在面设置为对称面；空气域上表面采用opening边界，压力设置为0且水的体积分数为0，空气体积分数为1；空气域与水域之间交界面采用gerneralconnection；其余边界均设置为无滑移壁面；

(4)设置初始条件：空气域中水的体积分数设置为0，空气体积分数为1；速度各分量与压力均设置为0；水域中水的体积分数设置为1，空气体积分数为0；速度与压力均设置为0。

步骤(d)中所述的判断c设置的流量是否满足收敛性要求的条件如下：

(1)将水域与空气域对称面上水的体积分数平均值αave1以及αave2作为判据；

(2)若αave1＞0.95且αave2＜0.18则说明流量满足收敛性要求；

(3)若αave1＜0.95，则说明流量偏低，将流量调整为原来的0.95/αave1倍；

(4)若αave1＞0.95且αave2＞0.18，则说明流量偏高，将流量调整为原来的0.95/αave1倍，在条件(1)满足之前，重复步骤(c)和(d)。

本发明的有益效果为：本发明提供的一种基于cfd的水闸过流流量计算方法，基于ansyscfx软件进行水闸上下游流场的两相流计算，以液相体积分数为判据确定流量，解决了经验公式计算水闸过流流量精度不足的问题，将结果与实测数据进行对比后发现，经验公式误差为15.5％，而本发明计算方法可将误差控制在4.2％，本发明有利于水闸科学安全、经济合理设计和运行。

附图说明

图1为本发明的一种基于cfd的水闸过流流量计算方法的流程图。

图2为本发明实施例中泵闸三维模型。

图3为本发明实施例中划分的网格。

图4为本发明实施例中边界条件设置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

本实施例以国内某泵闸为研究对象，泵闸宽度10.2m，高度4.5m，上游水深5.01m，下游水深0.83m，闸门开高1.5m，水闸钢板厚度0.01m。

如图1所示，为本实施例的一种基于cfd的水闸过流流量计算方法的流程图，具体实施步骤如下：

(a)建立水闸计算域几何模型。

根据水闸参数，采用三维建模软件建立泵闸几何模型，如图2所示，为本发明实施例中建立的泵闸三维模型。根据闸站水工设计参数，以闸门宽度为基准将上游延长至10.2m，下游延长至20.4m，且上游水面高度5.01m，下游水面高度0.83m。闸门距底板高度1.5m，最终得到水域。以水域为基准，将上游水面在高度方向延伸0.5m，下游水面在高度方向延伸0.83m，此为空气域。

(b)网格划分。

将步骤(a)中建立的计算域导出至icemcfd，采用globalmeshparameters设置非结构化网格参数，对于水域，maxelement设置为1m，minsizelimit设置为0.01m；对于空气域，maxelement设置为0.5m，minsizelimit设置为0.01m。利用prismmesh对水面附近网格进行加密，共使用5层prism网格。如图3所示，为本发明实施例中划分的网格，网格单元总数为837.5万。

(c)cfd计算设置。

将步骤(b)中划分好的网格导入cfd软件ansyscfx进行设置。

(1)计算模型及计算方法：基于雷诺时均n-s方程进行流动计算，在均相流模型下采用标准自由表面模型捕捉水面的变化，湍流模型采用标准k-ε模型，采用highresolution格式对时均n-s方程中各项进行离散；

(2)边界条件：水域进口采用流量进口条件，水的体积分数设置为1，空气体积分数为；出口条件同样采用流量出口条件，按公式(1)进行流量预估，其中σs＝1，e＝1.5m，b＝10.2m，h＝5.01m，μ0＝0.6-0.18e/h，由于行近流速一般较小，用h代替h0，g＝9.81m²/s，代入公式(1)可得q＝41.42m³/s；面板宽度方向的中线所在面设置为对称面；空气域上表面采用opening边界，压力设置为0且水的体积分数为0，空气体积分数为1；空气域与水域之间交界面采用gerneralconnection；其余边界均设置为无滑移壁面(wall)；

(3)初始条件：空气域中水的体积分数设置为0，空气体积分数为1；速度各分量与压力均设置为0；水域中水的体积分数设置为1，空气体积分数为0；速度与压力均设置为0。

(d)判断c设置的流量是否满足收敛性要求。

一次计算后，水域对称面上水的体积分数平均值αave1＝0.75，说明流量偏低。将流量调整为0.95/αave1＝1.26倍后，再次计算。如此反复后，结果如表1所示。

表1数值计算结果

由表1可知，经历3次计算即确定了通过单个水闸的流量，经验公式的误差为15.5％，而本发明公开的一种基于cfd的水闸过流流量计算方法则将误差减小至4.2％。