专利名称：数值模拟中概化透水物糙率的方法
技术领域：
本发明涉及一种在流体数值模拟中概化透水物糙率的方法。
技术背景
目前，在透水物糙率确定等领域常采用的方法有两种经验公式法，和同比例或变 比例缩放物理模型试验测定法；而在流体数值模拟中透水物糙率概化常采用的方法一般为 糙率分摊法。上述三种方法有着各自的特点和缺陷。经验公式法需要已知透水物的材质及孔眼尺寸。但在实际运用中，透水物的形状 可能不规则，透水物孔眼大小、孔眼密度可能不同，透水物的新旧程度可能不一样，透水物 的透水性能可能受外部因素影响发生了改变，或者孔眼细密，透水物在水中阻挡比例不同 等使得采用经验公式方法存在较大误差；另外，各种新材料的发展也使得经验公式方法的 使用存在越来越多的困难。同比例或变比例物理模型试验测定法方法成熟，但通常需要透水物具有较明确 的尺寸和较规则的形状才能按照物理模型比尺要求缩放后进行物理模型试验。不规则或者 孔径非常小的透水物无法按照物理模型比尺要求进行缩放，难于通过物理模型试验确定糙率。流体数值模拟中透水物糙率概化方法对具有一定体积的透水物，在流体数值模 拟中一般可采用糙率分摊法进行概化，即把通过试验或者经验公式计算得到的透水物体的 糙率按照其体积在流体数值模拟计算单元中实际所占体积(三维模型)或者面积(二维模 型)的比例进行分摊。但对于微厚任意孔眼状透水物来说，因难于量化其在流体数值模拟 计算单元中实际所占体积或者面积的比例，无法直接采用分摊法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种数值模拟中概化透水物糙率的方法，能在 流体数值模拟中方便地实现微厚透水物阻水的模拟。本发明采用以下技术方案一种数值模拟中概化透水物糙率的方法，包括以下步骤1)水槽试验，在水槽中设有高、低水位平流区，滤网区设于两平流区之间，a.将透水物固定在滤网区中深度为Cl1处；b.调节水槽流量，测量流速在V1, v2，......Vffl下，水流通过透水物产生的水头差
Pll' Pl2，......Plm ；C.将原状透水物固定在水槽深度为d2，d3，......dn处，重复上述步骤
2)，记录每一深度时，不同流速通过透水物产生的水头差p21，p22，......p2m，p31，
P32'......P3m，......Pnl，Pn2，......Pnm ‘2)建透水物的阻水比例_等效糙率曲线，a.假定明渠长度为I1,滤网导致的局部水头损失为Δ H，将透水物造成的局部水头损失换算为等长度明渠上的沿程水头损失；b.计算该段明渠上的等效糙率η ；
<formula>formula see original document page 4</formula>式中，Q为单宽流量，H为下游断面水深，w为过水断面面积，X为湿周；c.通过将等效糙率与阻水比例进行数值拟合，建立透水物的阻水比例_等效糙率 曲线；3)数值模型中概化透水物，a.建立数学模型，划分网格；b.根据网格长度与假定明渠长度的比值，将计算所得等效糙率换算成网格糙率；c.进行数值模拟计算。优选地，所述步骤1)中，采用原状透水物进行水槽试验，所述透水物孔眼不规则。优选地，所述数值拟合为多项式拟合。本发明具有以下技术效果(1)采用原状透水物进行水槽试验，无需测量透水物孔径，减少了透水物物理模型 缩放过程中的误差，为不规则孔眼透水物以及在使用过程中性质已发生了较大改变的透水 物糙率率定提供了新的思路。(2)通过多组模型试验和数值处理手段，建立了透水物阻水比例与等效糙率关系 式。通过透水物不同阻水比例的试验，根据试验结果，建立透水物等效糙率与阻水比例的关 系式，使试验的结果适用于任意阻水比例的透水物；在阻水比例相同的情况下，通过公式推 导，建立等效糙率与水深的关系式，使得水槽试验结果适用于实际使用中的任意水深。微厚 度透水物在实际使用过程中存在较大差异。本次提出了采用试验与数值拟和相结合的方法 研究阻水比例与糙率的定量关系，通过数值拟合等方法，建立了滤网非全断面阻水与糙率 的关系公式。(3)提出了微厚度透水网状阻水物的糙率参数在平面二维数学模型中概化的方 法。由于微厚度透水物厚度较小，数模实际概化过程中，无法将其概化为具有一定糙率的区 域，本次通过设定一个明渠长度，将局部水头损失换算成沿程水头损失，使得水槽试验成果 能够直接适用于二维水流模型中任意大小的网格。
图1为本发明所涉及的数值模拟中概化透水物的方法的流程简图。图2为本发明所涉及的数值模拟中概化透水物的方法中水槽的结构示意图。
具体实施例方式结合图1，本发明包括以下步骤一、水槽试验测定水头差1)将原状透水物固定在水槽深度为Cl1处；2)调节水槽流量，控制通过透水物的流速，测量流速在V1, V2,……Vm下，水流通过透水物产生的水头差P11, P12，......Plm ；3)将原状透水物固定在水槽深度为d2，d3，......dn处，重复上述步骤
2)，记录每一深度时，不同流速通过透水物产生的水头差p21，p22，......p2m，p31，
P32'......p3m，......Pnl，Pn2，......Pnm ‘ °透水物以原状在水槽中进行试验多组次测定透水物不同入水深度在不同水流流速条件下产生的上下侧水头差。二、建立微厚透水物在水中阻挡比例与等效糙率关系1)假定明渠长度为I1,滤网导致的局部水头损失为Δ H，将透水物造成的局部水头 损失换算为等长度明渠上的沿程水头损失，可基于谢才公式(式1)和曼宁公式(式2)推 求相应等效曼宁糙率；<formula>formula see original document page 5</formula>(1)式中，ν为断面平均流速；C为谢才系数，谢才系数基于曼宁公式(式2)推求；R为水力半径，为过水断面面积w和湿周X的比值；J为水力坡降，为明渠水面单位距离落差，等于发生沿程水头损失的上下游侧水位 差与其长度L的比值Δ HZl1 ；<formula>formula see original document page 5</formula>式中η为曼宁糙率系数；2)通过水力学公式计算该段明渠上的等效糙率，将式(2)代入式(1)可得滤网等 效曼宁糙率计算公式<formula>formula see original document page 5</formula>式中，Q为单宽流量；H为下游断面水深；w为过水断面面积；χ为湿周；3)由各阻水比例与等效糙率的关系，通过数值拟合等手段，得出微厚度透水物阻 水比例与等效糙率的关系。三、数值模型中概化微厚透水物1)建立数学模型，将透水物概化在一定大小的网格上，网格长度为I2 ；2)根据网格的长度I2与假定明渠长度I1的比值，将计算所得等效渠糙率换算成 网格的糙率；<formula>formula see original document page 5</formula>式中，
H1为假定明渠长度I1的等效糙率；n2为网格长度I2的等效糙率；3)进行数值模拟计算。如一拦截蓝藻用的致密滤网，放置在水下一定深度，为非全断面阻水，滤网长期浸泡水中，部分网眼已被泥沙堵没。请参照图2所示，水槽包括三个区域，从左至右依次为第一平流区1，滤网区3，第 二平流区2，第一平流区1的水平面比第二平流区2要高，滤网4设于滤网区3中。首先，制 作不同阻水比例滤网和框架，对周边抹上硅胶进行密封防渗处理，然后用钢夹将滤网固定 在水槽上，使之保持直立，调节水槽流量，控制通过滤网的流速；然后，进行多组试验，测量不同流速水流通过不同阻水比例滤网产生的水头差；然后，假定明渠长度I1 (如I1为100m)，将水流通过滤网产生的局部水头损失转化 为明渠长度上的沿程水头损失；接着，通过水力学公式计算该段明渠上的等效糙率；数学模型概化中，将滤网概化在一定长度的网格上，根据网格的长度I2与假定明 渠长度I1的比值，将计算所得等效渠糙率换算成网格的糙率进行模型计算。本发明由于采用原状滤网进行物理试验，成功解决了滤网阻水糙率的确定方法。 在进行物理试验时难以精确测量滤网孔径及找到可用于试验的滤网替代材料，本次采用原 状网进行水槽试验，减少了滤网物模缩放过程中的误差且最大程度符合实际工况，为解决 无法通过公式直接推求糙率的问题，通过滤网阻水机制研究及水力学公式推导，使得水槽 试验的结果能直接运用到二维水流模型中，并能较好地反映现状工况。另外，通过系统模型试验和多项式数值拟合，建立了滤网非全断面阻水与糙率关 系式。滤网放置水下的深度根据实际情况有所差别，阻水程度根据各处水位及水下地形的 不同也存在差异。本次提出了采用试验与数值拟和相结合的方法研究阻水比例与糙率的定 量关系，通过矩阵式组合组次的水槽试验，结合多项式数值拟合方法，建立了滤网非全断面 阻水与糙率的关系公式。还有，本发明提出了微厚度透水网状阻水物的糙率参数在平面二维数学模型中概 化的方法。由于滤网厚度较小，二维数模概化中，无法将其概化为具有一定糙率的区域。本 发明通过水力学理论推导，将部分断面阻水的局部水头损失概化成过网水头损失与绕流水 头损失，并通过设定一个明渠长度，将局部水头损失换算成沿程水头损失，使得水槽试验成 果能够直接适用于二维水流模型中任意大小的网格。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的方法方案。任何不脱离本发明精神和范 围的方法方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
权利要求
一种数值模拟中概化透水物糙率的方法，其特征是包括以下步骤1)水槽试验，在水槽中设有高、低水位平流区，滤网区设于两平流区之间，a.将透水物固定在滤网区中深度为d1处；b.调节水槽流量，测量流速在v1，v2，……vm下，水流通过透水物产生的水头差p11，p12，……p1m；c.将原状透水物固定在水槽深度为d2，d3，……dn处，重复上述步骤2)，记录每一深度时，不同流速通过透水物产生的水头差p21，p22，……p2m，p31，p32，……p3m，……pn1，pn2，……pnm；2)建透水物的阻水比例-等效糙率曲线，a.假定明渠长度为l1，滤网导致的局部水头损失为ΔH，将透水物造成的局部水头损失换算为等长度明渠上的沿程水头损失；b.计算该段明渠上的等效糙率n； <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msup> <mi>R</mi> <mrow><mn>2</mn><mo>/</mo><mn>3</mn> </mrow></msup><msup> <mi>J</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn> </mrow></msup> </mrow> <mi>v</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mi>w</mi> <mi>χ</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mrow><mn>2</mn><mo>/</mo><mn>3</mn> </mrow></msup><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mi>ΔH</mi> <msub><mi>l</mi><mn>1</mn> </msub></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn> </mrow></msup> </mrow> <mi>Q</mi></mfrac><mi>H</mi> </mrow>式中，Q为单宽流量，H为下游断面水深，w为过水断面面积，χ为湿周；c.通过将等效糙率与阻水比例进行数值拟合，建立透水物的阻水比例-等效糙率曲线；3)数值模型中概化透水物，a.建立数学模型，划分网格；b.根据网格长度与假定明渠长度的比值，将计算所得等效糙率换算成网格糙率；c.进行数值模拟计算。
2.根据权利要求1所述的数值模拟中概化透水物糙率的方法，其特征是所述步骤1) 中，采用原状透水物进行水槽试验，所述透水物孔眼不规则。
3.根据权利要求1所述的数值模拟中概化透水物糙率的方法，其特征是所述数值拟 合为多项式拟合。
全文摘要
本发明涉及一种在流体数值模拟中概化透水物糙率的方法，包括以下步骤1)水槽试验测定水头差，透水物以原状在水槽中进行试验多组次测定透水物不同入水深度在不同水流流速条件下产生的上下侧水头差；2)建立微厚透水物在水中阻挡比例与等效糙率关系，假定明渠长度l1，将微厚透水物造成的局部水头损失换算为等长度明渠上的沿程水头损失，计算该段明渠上的等效糙率；3)数值模型中概化透水物，将等效渠糙率换算成网格的糙率。本发明采用原状透水物进行水槽试验，减少了透水物物理模型缩放过程中的误差，为不规则孔眼透水物以及在使用过程中性质已发生了较大改变的透水物糙率率定提供了新的思路。
文档编号G01N13/00GK101799391SQ20101014585
公开日2010年8月11日 申请日期2010年4月13日 优先权日2010年4月13日
发明者盛根明, 纪洪艳, 胡静, 陈瑞方, 韩丕康 申请人:上海勘测设计研究院