一种排水管道淤积质水力输移分析方法

本发明属于市政排水管网淤积影响研究，特别涉及一种排水管道淤积质水力输移分析方法。

背景技术：

1、近年来，出现不同程度的内涝灾害，内涝灾害的发生对城市居民的生命财产和日常出行造成了严重影响，其中对于排水管道淤积病害的忽视，是造成城市内涝的重要原因之一。

2、城市排水管网系统的正常运行是保障排水通畅以及预防极端天气带来城市内涝的重要手段。但随着排水管道服役年限的增加，地表土体颗粒的不断汇聚，必然会出现不同程度的排水管道淤积。这些淤积质一定程度上阻碍了排水管道完全发挥其过流特性。据调查发现，在北京城区发现至少有60％排水管道存在淤积物，50％的淤积物厚度达到了排水管道直径的10％～30％；此外，在美国同样发现排水管道污水中的悬浮物颗粒每天的沉积量占比5％～30％。由此可见，排水管道淤积问题普遍存在，且淤积对排水管道的过水能力和水动力学特性的影响是不可忽略的。因此，深入分析不同水力条件下排水管道淤积质的水力输移和阻滞响应特征是必要的。

3、现有研究对排水管道淤积病害并未全面的考虑淤积质颗粒的影响，总的来说，可以概括为：

4、(1)传统的数值模拟将排水管道淤积物设置为没有孔隙率的固定障碍物或者使用多孔介质进行代替，与实际颗粒的物理性质存在差异；

5、(2)忽视了关于排水管道淤积病害对排水管道进出口的阻滞响应特征，以及未考虑排水管道淤积沉降形成淤积病害的本质原因；

6、(3)现有关于排水管道淤积病害的诊断效率低，未能结合流固耦合领域知识且不能实现排水管道整体监测；

7、因此，针对传统模拟淤积质颗粒的缺点、淤积病害对排水管道进出口速度的阻滞响应和未能考虑淤积概率沉降函数与流固耦合领域知识，有必要研发一种排水管道淤积质水力输移分析方法。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明的目的在于，建立一种排水管道淤积质水力输移分析方法，实现排水管道淤积质的水力输移和排水管道水流的阻滞响应的定量化分析。

2、本发明采用的技术方案如下：一种排水管道淤积质水力输移分析方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，建立包含概率沉降函数、自适应遗传算法和双向长短记忆神经网络三部分的概率沉降智能预测模型，作为处理淤积质颗粒碰撞的边界约束和结果引导项，并赋值给排水管道淤积质流固耦合数值模拟模型；

4、步骤s2，采用动量守恒定律和排水管道水力学理论，构建排水管道淤积质的三维瞬态水力模型，并对排水管道淤积质的三维瞬态水力模型中的淤积质颗粒单元体的固相、液相、“固-液”耦合作用关系进行物理约束；

5、步骤s3，计算流体力学-离散元分析”流固耦合方法结合步骤s1中建立的概率沉降智能预测模型，对步骤s2中构建排水管道淤积质的三维瞬态水力模型进行数值化求解；

6、步骤s4，根据步骤s3中对构建排水管道淤积质的三维瞬态水力模型进行数值化求解得到的数据，完成对排水管道淤积质颗粒与水流复杂耦合机理的研究，最终建立排水管道淤积质的水下输移研究方法和排水管道淤积质的阻滞响应特征研究方法。

7、进一步的，步骤s1建立概率沉降智能预测模型，所需初始训练集，具体步骤为：

8、步骤s11：采用概率沉降函数和自适应遗传算法优化沉降智能预测模型生成初始训练集；

9、步骤s12：将步骤s11中的初始训练集输入双向长短期记忆神经网络，生成淤积质颗粒沉降结果；

10、步骤s13：将步骤s12中的淤积质颗粒沉降结果与缩尺实验得到的数据结果进行误差对比得到淤积质颗粒沉降误差率，通过淤积质颗粒沉降误差率的阈值判定是否需要自适应遗传算法重新生成初始训练集进行训练。

11、进一步的，步骤s11采用概率沉降函数和自适应遗传算法优化沉降智能预测模型生成初始训练集；具体步骤为：

12、步骤s111：初始淤积颗粒种群在没有流固耦合先验知识的情况下，随机生成十倍以上的待筛选个体；

13、步骤s112：将步骤s111生成的随机待筛选个体设置遗传迭代轮次为k次，由概率沉降函数p作为适应度评价指标；

14、步骤s113：将步骤s112遗传迭代完成后，通过遗传算法的优胜劣汰机制得到排水管道淤积数值模拟所需要的颗粒个体数量阈值和时空尺度的沉降位置；

15、步骤s114：将步骤s113中遗传算法改进后采用非线性自适应的交叉概率pc和变异概率pm对淤积颗粒在排水管道中的沉降遗传路径进行优化，最终得到经过概率沉降函数和自适应遗传算法优化沉降智能预测模型后生成的初始训练集；

16、采用引入sigmoid函数的概率曲线收敛平滑技术，得到淤积质颗粒种群个体自适应求解最小值优化过程中的交叉概率和变异概率方程，公式化表达如下所示：

17、

18、

19、其中，pc3、pc2、pc1、pm3、pm2、pm1均表示常数且pc3＞pc2＞pc1∈(0,1)，pm3＞pm2＞pm1∈(0,1)，fmin、favg、fmax分别表示淤积质颗粒个体适应度的最小值、最大值和平均值，fca和fma分别表示参与交叉和变异的种群个体中较大的适应度值，a和b分别表示为概率调节的自适应常量。

20、进一步的，步骤s1中概率沉降函数，具体为：

21、采用临界床面剪切应力模型作为排水管道淤积质颗粒沉降的判断条件，临界床面剪切应力模型动态模拟排水管道淤积质颗粒的沉降和排水管道管底淤积质形状，排水管道淤积质颗粒的个体沉降概率反映个体适应度的比例，个体适应度越大，排水管道淤积质颗粒被选择沉降的概率就越大，颗粒沉降处理方法定义为概率沉降法；构建的概率沉降函数公式化表达如下所示：

22、

23、其中，w表示颗粒的个体适应度，τcs为排水管道淤积质颗粒的临界床面剪切应力，τ0表示排水管道的床面剪切应力。

24、进一步的，临界床面剪切应力模型公式具体如下：

25、构建排水管道淤积质颗粒受力方程，公式化表达如下所示：

26、

27、

28、

29、其中，g表示排水管道淤积质颗粒受到的重力，π为无量纲的常数，g为重力加速度，ρf和ρp分别表示流体密度和颗粒密度，dp为排水管道淤积质颗粒的直径，fl为排水管道淤积质颗粒受到的水体升力，ff为排水管道管底作用于排水管道淤积质颗粒的摩檫阻力，α为排水管道的坡度，为排水管道淤积质颗粒的摩擦角；

30、根据临界床面剪切应力模型判断排水管道淤积质颗粒起动的公式，具体如下所示：

31、

32、

33、

34、其中，为排水管道淤积质颗粒reynolds数的函数，即rer为颗粒雷诺数，c为谢才系数，r为排水管道的水力半径，ρfp为含沙水流的平均密度，b1为排水管道内水面的瞬时宽度，j为河道水力坡降，ua为沿水面垂直方向上的水深平均流速。

35、进一步的，步骤s2中采用动量守恒定律和排水管道水力学理论，构建排水管道淤积质的三维瞬态水力模型，并对排水管道淤积质的三维瞬态水力模型中的淤积质颗粒单元体的固相、液相、“固-液”耦合作用关系进行物理约束；包括以下步骤：

36、步骤s21：构建排水管道内流体的瞬时连续性状态控制方程和动量守恒方程，公式化如下所示：

37、

38、其中，γf表示流体的局部孔隙率，ρf代表流体密度，vf为流体的速度矢量，是哈密顿算子，p表示流体单位面积受到的压力，τf表示流体的粘性剪切应力，km为排水管道内流体与淤积质颗粒相互作用的动量源项，dfp表示流体与淤积质颗粒动量交换的曳力系数，up为单元体内淤积质颗粒的速度矢量；

39、步骤s22：利用步骤s21中的连续性状态控制方程和动量守恒方程，构建排水管道淤积三维瞬态水力模型方程，动态模拟淤积长度、淤积厚度和排水管道水流流速、流量的变化情况，将其作为流固耦合模型的流体输入输出水力指标的约束项，公式化表达如下所示：

40、

41、其中，q1和q2分别表示当前时刻排水管道进、出口的流量，g1＝ρq1gδt表示排水管道入口的瞬时流量的重力，δt表示无限小的时间间隔，ff1和ff2分别表示淤积段和非淤积段受到的阻力，η为非淤积段的动能转换系数，lp为排水管道的长度，ls和hs分别为排水管道淤积的长度和厚度，θ表示排水管道的倾斜度，v1和v2分别表示管道进口和出口的水流速度。

42、进一步的，步骤s3中“计算流体力学-离散元分析”流固耦合方法对步骤s2中构建排水管道淤积质的三维瞬态水力模型进行数值化求解，具体步骤包括：

43、步骤s31：采用构成三维瞬态水力模型的流体和淤积质颗粒数据分别导入到计算流体力学软件和离散元分析软件当中；

44、步骤s32：计算流体力学软件从离散元分析软件中获取到淤积质颗粒的速度、位置的状态信息，通过数据传输接口转化后进行迭代求解；

45、步骤s33：离散元分析软件对步骤s32中迭代求解得到的数据进行转换，对淤积质颗粒受到的作用力进行迭代求解，并更新颗粒求解后的速度、位置的状态信息；

46、步骤s34：通过步骤s32和步骤s33的循环迭代，完成流固耦合方法对三维瞬态水力模型的求解。

47、进一步的，步骤s4中建立排水管道淤积质的水下输移研究方法，具体步骤包括：

48、建立不同淤积长度、淤积高度、水流流速和流量的工况，得到淤积质颗粒的输移量随时间变化的规律，分析淤积长度、淤积高度、水流流速和流量因素对淤积质颗粒的水力输移影响。

49、进一步的，步骤s4中排水管道淤积质的阻滞响应特征研究方法，具体步骤包括：

50、排水管道水流经过管内淤积段导致水流的进出口速度改变，利用淤积特征的变化得到不同工况下排水管道进出口速度的影响，对比无淤积时排水管道水流的进出口速度，最终建立起排水管道淤积质的阻滞响应特征研究方法。

51、与现有研究方法相比：

52、(1)本发明建立了基于离散元分析方法对实际淤积质颗粒的物理性质进行了还原模拟，并结合动量守恒定律和排水管道水力学理论构建了排水管道淤积质的三维瞬态水力模型；

53、(2)本发明建立了基于沉降智能预测模型的淤积质颗粒的沉降智能预测模型；

54、(3)本发明考虑了排水管淤积沉降和临界剪切应力的关系，并结合流固耦合领域知识对三维瞬态水力模型进行数值化求解；

55、(4)本发明建立了关于排水管道淤积质的水下输移规律和阻滞响应特征的研究方法，实现对排水管道淤积病害的输移监测以及为排水管道后续清淤维护提供技术支撑。