一种基于CFD仿真的室内激流救援训练场地设计方法与流程

本发明涉及水域救援，具体而言，涉及一种基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法。

背景技术：

1、激流水域环境恶劣、水情复杂，具有水体浑浊、水温较低、流速较快等特点，其典型的水域环境包括v流、倒v流、微笑流、漩涡流、覆盖流、皱眉流。

2、水域救援特别是激流救援难度大、作业环境危险，是综合救援任务中的短板，因此需要对专业人员进行规范化训练。目前的激流救援实训大多数在自然水域(江、河)开展，危险性高且受自然地理条件的限制较大。

3、中国实用新型专利cn215562303u公开了一种水域救援综合训练基地，但对不同水域环境的还原性需要进一步验证。中国发明专利cn115909837a公开了激流水道水力设计方法及水域救援综合训练基地，但仅针对水力参数计算与设计，从理论角度阐明了设计方法，难以体现实际应用价值。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法以及一种激流救援训练场地，用以解决上述现有技术存在的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法，其包括：

3、s1：根据每一类型激流水域环境的水流形态的特点，利用障碍物组合方式或改变河道轮廓方式，对每一类型激流水域环境的实现形式进行初步设计；

4、s2：根据初步设计，对每一类型激流水域环境分别进行二维数值模拟及优化，得到多个激流水域环境二维模拟结果；

5、s3：设计河道整体轮廓并组合所有类型的激流水域环境，从而得到整个激流河道的轮廓与内部障碍物布置形式，设计水池与泵房位置，二者与激流河道相连，得到整个激流训练区域的样式，对整个激流训练区域进行二维数值模拟及设计优化，得到激流训练区域二维模拟及设计结果；

6、s4：根据激流训练区域二维模拟及设计结果，对激流训练区域进行三维数值模拟及设计优化，得到激流训练区域三维模拟结果；

7、s5：根据实际训练时的需求，在激流训练区设置监测设备、爬梯等设施，从而确定室内激流救援训练场地的设计结果。

8、在本发明的一实施例中，激流水域环境包括v流、倒v流、微笑流、漩涡流、覆盖流以及皱眉流。

9、在本发明的一实施例中，各激流水域环境类型实现方式如下，其中，v流包括以下第一v流和第二v流，皱眉流包括第一皱眉流和第二皱眉流，

10、第一v流：由3组长方体障碍物组成，呈形排列；

11、第二v流：由2组长方体障碍物组成，呈v字排列，尖端朝上游，夹角宜为55°～75°；

12、倒v流：由2组长方体障碍物组成，对称布置，与顺流方向夹角宜为30°～45°；

13、微笑流：由1组圆柱体障碍物组成，其直径宜为河道宽度的20％～25％，障碍物正后方为回流区；

14、漩涡流：通过河道轮廓转折或向外侧凸起实现；

15、覆盖流：通过河道轮廓的渐缩实现，渐缩角宜为35°～55°，河道收窄后的宽度宜为原来的60％～70％；

16、第一皱眉流：由1组长方体障碍物组成，与顺流方向夹角宜为35°～45；

17、第二皱眉流：通过河道轮廓转折实现，转折前河道宽度宜小于转折后河道宽度。

18、在本发明的一实施例中，步骤s2利用以下子步骤得到每一类激流水域环境二维模拟结果：

19、s21：利用spaceclaim软件，在二维平面创建与激流水域环境对应的简化模型以及命名进、出口及壁面边界；

20、s22：对简化模型划分二维网格，在进出口及障碍物壁面进行尺寸加密；

21、s23：利用fluent软件计算求解：以水为流体材料，剪切应力输运k-omega为粘性模型，定义以下边界条件：入口速度值、压力出口以及壁面粗糙高度，以压力速度耦合方法进行瞬态求解计算；

22、s24：利用cfd-post软件处理计算结果，绘制流速矢量图，分析二维速度场分布；

23、s25：判断是否满足该水域环境的水流形态特征，若不满足，优化二维模型设计，重复步骤s21～s24。

24、在本发明的一实施例中，步骤s22中，对简化模型划分二维网格是利用mesh工具、gambit或icem软件。

25、在本发明的一实施例中，步骤s23中，壁面粗糙高度根据实际激流河道固体材料设置。

26、在本发明的一实施例中，步骤s3包括以下子步骤：

27、s31：利用spaceclaim软件，在二维平面创建与激流训练区域模型以及命名进、出口及壁面边界；

28、s32：对简化模型划分二维网格，在进出口及障碍物壁面进行尺寸加密；

29、s33：利用fluent软件计算求解：以水为流体材料，剪切应力输运k-omega为粘性模型，定义以下边界条件：入口速度值、压力出口以及壁面粗糙高度，以压力速度耦合方法进行瞬态求解计算；

30、s34：利用cfd-post软件处理计算结果，绘制流速矢量图，分析二维速度场分布；

31、s35：判断激流训练区域整体及内部局部水域的水流形态、方向、流速相对大小是否符合训练要求。

32、在本发明的一实施例中，步骤s35中，若激流训练区域中某一处水域环境的水流形态、方向不符合实际训练要求，则按以下方式进行优化调整：

33、①调整该处水域环境的障碍物尺寸、组合形式；

34、②重新考虑该处上游水域环境类型；

35、③在该处附近上游处布置障碍物作为导水构件；

36、步骤s35中，若激流训练区域中某一处水域环境的流速相对大小不符合实际训练要求，则按以下方式进行优化调整：

37、①将该处附近上游河道缩窄；

38、②在该处附近上游河道两侧布置障碍物缩窄河道；

39、按照以上方式进行优化调整，直至整个激流训练区域二维速度场分布符合每一类激流水域环境特征与实际训练要求。

40、在本发明的一实施例中，步骤s4包括如下子步骤：

41、s41：在激流训练区域二维数值模拟结果的基础上，在spaceclaim软件中创建三维流体域模型，三维流体域分为水体部分与空气体部分，水体部分高度为设计水深，水体上方为空气体部分，水体部分与空气体部分的交界面为内部面，潜水泵井筒出口为水体入口面，潜水泵井筒入口为水体出口面，其余面为水体壁面，空气体与外界空气接触面为出口面，与固体接触面为壁面，水体与空气体共享拓扑；

42、s42：利用fluent meshing工具、gambit或icem软件，对流体域划分多面体网格，并将整体网格平移至坐标原点；

43、s43：利用fluent软件计算求解，以水与空气为流体材料，vof为多相流模型、sstk-omega为粘性模型，定义边界条件如下：入口速度v大于0.8m/s，水的体积分数为1，水体出口为质量流出口，质量通量q(kg/(m2·s))计算式：q＝v×ρ水，ρ水为水的密度，空气体出口类型为压力出口，壁面粗糙高度根据实际激流河道固体材料设置，采用压力速度耦合方法piso，初始化流场各物理参数、并对水体的水体积分数进行局部初始化后，初始化方式为：先令整个流体各物理参数的初始值为0进行标准初始化，再令水体的水体积分数为1进行局部初始化，在重力作用下，进行瞬态计算；

44、s44：利用cfd-post软件处理计算结果；

45、s45：重复步骤s41～s44，直至激流训练区域的三维流场分布符合每一类激流水域环境特征与训练要求。

46、在本发明的一实施例中，步骤s44包括如下子步骤：

47、s441：做出模拟水体部分流速矢量图，分析其三维速度场分布，具体方式是插入isovolume，boundary data值为1，判断激流区域整体及不同水域环境的水流形态、方向、流速是否符合激流水域环境特征与训练要求，若不符合要求，则进行优化调整。

48、本发明还提供了一种激流救援训练场地，其包括水泵房、激流河道、岸上区域以及水池，激流训练区域采用上述基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法进行设计，水泵房内设有多个水泵，激流训练区域包括v流训练区、倒v流训练区、微笑流训练区、漩涡流训练区以及覆盖流训练区，激流训练区域中还设有浮球液位计、静压液位计以及明渠流速流量计，

49、浮球液位计设于水泵吸入口、泵房内水流出口以及水池，

50、静压液位计设于水泵房内、激流河道不同水域环境处，静压液位计实时监测水泵房与激流河道水位，防止水泵入口水位过低引起吸空，保证激流河道水流达到所需水位，

51、明渠流速流量计设在激流河道不同水域环境处，明渠流速流量计实时监测激流河道内水流流速、流量，使得激流河道内水流维持在所需流速，以保障训练效果。

52、本发明提供的基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法以及激流救援训练场地利用cfd(computational fluid dynamics，计算流体动力学)软件，根据激流训练条件，模拟仿真激流流动情况，还原典型水域灾场，为后续开展的水力学模型试验节约了时间与成本。