一种考虑大型多竖井管道的改进混合流模拟方法

本发明涉及水电站(泵站)水力学数值模拟计算，尤其涉及一种考虑大型多竖井管道的改进混合流模拟方法。

背景技术：

1、近年来，在大型雨水排放系统和引调水工程中，由于强降雨或上游大量流入，经常发生快速的流量转换。这种流态的特征是长距离气囊的初始压缩，以及随后不规则的间歇流态转变。由于实际工程布置需要，这些管道系统涉及多竖井气体排放问题。这些复杂的流动对管道系统的安全运行构成了巨大威胁，因而开发相应的混合流动模型十分具有必要。

2、在目前的研究中，已经开发了用于混合流模拟的一维和三维数值方法。考虑到大型管道需要大量的网格单元和较长的模拟时间，三维方法的高计算需求使其不切实际。相比之下，一维方法更适合大型管道，包括刚性柱法、冲击捕捉法和冲击拟合法。在一维激波捕获方法中，双组分压力法(tpa)在不追踪空气-水界面的情况下有效地解决混合流模拟问题，被广泛应用，因而本发明的水体部分也应用此模型。

3、此外，为了解决混合流中的滞留气囊问题，双组分压力法需与空气模型相结合。空气模型基于理想气体定律，主要包括均匀空气压头模型和离散空气模型。传统方法：1、主要为均匀空气压头模型，简单假设单个气囊内的气压均匀，无法精确考虑其中的滞留气囊问题；2、另外，传统方法忽略了实际多垂直竖井之间的相互影响，无法考虑混合流过程中气体排放的分阶段特性，对气液两相混合流的水气两相压力、密度、流速的瞬态耦合影响表征能力差；3、忽略了以及大尺寸原型和模型之间大距离气囊的尺寸效应，对水气两相混合流模型在实际大工程的适用性缺乏定量研究和检验；4、传统求解法对多相、瞬变流的激波捕捉、波速调整，存在分辨率低、守恒性差的固有缺陷。

4、因此，本发明旨在通过建立改进的混合流模型来解决这些差距。该模型结合了用于水部分模拟的双组分压力法和用于气体部分的离散欧拉方法。数值解是高得诺夫(godunov)型有限体积法，结合随机选择法(rcm)以提高数值稳定性。进一步强调了在大型气囊中的适用性，并分析了多竖井和尺寸效应问题。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述现有存在输水系统气液两相瞬变流中，为解决动态耦合气体与流体瞬变参数问题、多竖井气体排放问题、系统尺寸效应、传统模型的复现精度低稳定性差的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明解决的技术问题是：改进混合流模型，将水体的两相组分法和离散气体相结合，并用随机选择法和高得诺夫型有限体积法结合求解，并考虑实际多竖井布局和大尺寸工程案例的适用性，可以改进混合流模拟的准确性、稳定性和实际适用性，准确定量表征混合流模拟中水气两相流的动态压力特性，并详细揭示了多竖井布局和比尺效应对混合流模拟的影响效应。

4、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种考虑大型多竖井管道的改进混合流模拟方法，包括动态耦合气体与流体瞬变参数，定量分析多竖井气体排放和系统尺寸效应，改善模型的复现的精度和稳定性，其具体步骤如下：s1：构建水体两相组分模型，计算管道主体的质量和动量通量；s2：动态耦合离散气体模型，结合离散气体欧拉法；s3：引入随机选择法和高得诺夫型有限体积法，实现模型的精确和稳定求解；s4：处理计算结果，将所提出模型的预测结果，与实验数据进行验证；s5:处定量考虑多竖井气体排放、系统尺度的影响效应。

5、作为本发明所述的一种优选方案，其中：对水体部分建立两相组分模拟模型：

6、

7、式中：

8、

9、

10、其中，u是守恒变量的向量；f是守恒变量通量的向量；s是源项的向量；x是沿管轴的距离；t是时间；a是流动横截面积；q为流量；g是重力加速度；hu是横截面质心和自由表面之间的距离；hp是附加压头；hair是加压空气压头；θ＝π-arccos[(y-d/2)d/2]；d为管径；apipe是横截面积；a是加压流中的波速。

11、作为本发明所述的一种优选方案，其中：动态耦合气体模型，建立离散欧拉气体模型：

12、

13、其中，为空气密度；u为空气流速；p为气压头，α是空气中声波的速度；sd1、sd2和sfa分别是连续性方程、动量方程和气流与管壁之间的损失中的源项。

14、作为本发明所述的一种优选方案，其中：基于随机抽样过程将状态分配到下一个时间级别：

15、

16、其中，上标n代表第n计算时间步；下标i代表第i个计算控制体；βn为随机数，由于低差异和均匀分布的优点，范德科尔普特数伪随机序列被建议作为采样过程中的最佳随机序列，范德科尔普特序列表示为：

17、

18、其中k1和k2是两个相对素数，k1>k2>0；mod表示求余函数；m，ai，ai皆为中间生成的参数。

19、其中，利用高得诺夫型有限体积法，采用精确的黎曼求解器处理间断问题：

20、f(a*)≡fl(a*,al)+fr(a*,ar)+ur-ul＝0

21、

22、其中，ur和ul分别为节点左右两侧的速度变量；fk(k＝l或r)为穿过左侧或右侧非线性波，将两侧与中间状态建立起关系的表达式；上标*为黎曼问题中的间断区(即星号区)的求解值；ak(k＝l或r)为左右两侧通量中的面积；i1为任意形状界面的压力项积分形式；为面积的函数，可通过已有文献计算。

23、其中，黎曼问题中星号区域处流量q*的表达式：

24、

25、其中，通过牛顿-拉普森方法迭代得到间断处流动面积解a*：

26、

27、其中，f'代表通量求导。

28、作为本发明所述的一种优选方案，其中，考虑多竖井排放的气体释放影响：竖井排气边界条件应用了连续性方程和孔口方程，该边界条件的连续性方程为：

29、

30、其中，下标air代表气体的相应变量；下标1代表边界第1个计算控制体；mairout＝通过通风孔排出的空气质量，使用式(15)计算，使用黎曼不变量求解等温、一维、原始格式的欧拉方程求解

31、uair1＝uair2-α(logρ2-logρ1)    (15)

32、其中，下标2代表第1个计算控制体相邻的第2个控制体。

33、定量考虑系统的尺寸效应，按原/模型佛罗德数fr相同设计，则有：

34、

35、其中，fr为佛罗德数；u代表水体流速；g为重力加速度；l为系统长度；λ表示各变量原型比模型的相似比尺；q为流量；p为压力；h为压力水头；ρ为密度；下标y代表原型，下标m代表模型，下标u代表速度变量，下标l代表长度变量，下标t代表时间变量，下标r代表特征物理量，下标q代表流量变量，下标h代表压头变量。

36、本发明的有益效果：

37、1.建立一个高精度的一维多相模型，结合两相组分水体模拟方法和离散气体欧拉模拟方法来模拟水气两相瞬变流，可以实现输水管道混合流的精确模拟。

38、2.重要的是，仔细探讨了多竖井布局对充水两相流的影响，以及系统尺寸效应对模型适用性影响。

39、3.此外，将随机选择法结合高得诺夫型有限体积法，实现模型的精确和稳定求解，有利于保障输水管道中的水力安全预测、操作调度和防控。