本发明专利技术涉及一种淤积条件下泄水闸门提取数值模拟方法，属于水利工程中的计算机数值模拟技术领域，包括以下步骤：步骤1，根据工程实际情况绘制几何模型，绘制的几何模型以电子文件的形式输出，输出格式具体为*.STEP，将几何模型文件导入到流体仿真软件并剖分计算网格，流体仿真软件具体为FLUENT，几何模型和网格包括闸门固体区域、水‑沙‑气流体区域，以及流体和固体界面区域；步骤2，给定各区域初始条件和边界条件，本发明专利技术充分考虑了淤积物类型、堆积形态和淤积物特征参数，以及推移质输运过程影响，为精细化模拟淤积条件下泄水闸门提取过程提供了一种有效方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种淤积条件下泄水闸门提取数值模拟方法，属于水利工程中的计算机数值模拟。
技术介绍
1、在现代水利工程中，泄水闸门广泛应用于水库、河道、水电站等水工建筑物中，在水利枢纽工程的安全运行和调度控制等方面发挥着重要作用。然而，长期的运行过程中，水流中携带的泥沙和悬浮物质会在闸门区域沉积，形成淤积。这种淤积不仅会影响闸门的正常启闭功能，还可能导致闸门卡阻、磨损加剧，甚至损坏，从而威胁水工建筑物的安全运行。因此，研究和模拟淤积条件下泄水闸门的运行状态具有重要意义。
2、现有技术中，有关淤积条件下的闸门提取数值仿真分析方法，主要考虑泥沙压力和剪切力作用。实际工程中，由于淤积物类型、堆积形态和淤积物特征参数各异，闸门提取属于水-气-沙三相动态变化过程，并伴随推移质输运过程，现有的数值模拟方法总体忽略了这些因素的作用，使得闸门提取数值模拟较为粗略，难以准确预测淤积物对闸门提取的影响，导致在实际工程应用中难以制定有效的运行和维护方案。
3、为解决上述问题，亟需基于泄水闸门淤积物特性信息，充分考虑淤积物特征和推移质输运过程影响，提出一种淤积条件下泄水闸门提取数值仿真分析方法。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是：为了克服现有技术的不足，针对现有技术对淤积条件下闸门提取数值模拟较为粗略问题，提供一种考虑淤积物特征影响的泄水闸门提取数值分析方法，该方法可以考虑水-气-沙三相动态变化和推移质输运过程，实现对闸门前淤积物影响下闸门提取的精细化数值模拟。
2、本专利技术解决上述问题所采用的技术方案为：一种淤积条件下泄水闸门提取数值模拟方法，包括以下步骤：
3、步骤1，根据工程实际情况绘制几何模型，绘制的几何模型以电子文件的形式输出，输出格式具体为*.step，将几何模型文件导入到流体仿真软件并剖分计算网格，流体仿真软件具体为fluent，几何模型和网格包括闸门固体区域、水-沙-气流体区域，以及流体和固体界面区域；
4、步骤2，给定各区域初始条件和边界条件，定义水、气、沙三相流体的参数和网格区域并初始化。
5、步骤3，选择动网格更新方式，定义闸门运动的udf（user-defined function，用户自定义函数），模拟闸门逐渐开启过程。
6、步骤4，求解vof（volume of fluid，流体体积）两相流模型，计算流场和压力场变量，提取水-沙两相接触面的坐标、速度、剪切力参数。
7、步骤5，编制udf函数，计算泥沙希尔兹数，求解推移质输运方程，并根据最大休止角对淤积物最大坡度进行调整，据此计算调整后的淤积物高程。
8、步骤6，利用调整后的水沙界面高程和动网格技术，控制界面节点运动，并重新调整计算区域内部的网格。
9、步骤7，重复上述步骤4～步骤6的过程，直至指定的计算时间完毕，输出每一时间步的流体分布、竖向动水压力、淤积物剪切力、下吸力等计算结果。
10、进一步的，所述步骤1中，在建立几何模型时考虑淤积物堆积形态影响，闸门前淤积物划分为水平堆积、斜坡堆积、漏斗状堆积三种类型。其中，淤积物表面在闸前呈水平分布称为水平堆积；淤积物表面向闸门一侧倾斜称为斜坡堆积；泄水水流冲刷淤积物在闸前形成漏斗状凹陷，称漏斗状堆积。
11、进一步的，所述步骤2中，流体域进口和出口均设置为压力边界条件，壁面设置为固壁无滑移边界条件，采用壁面函数处理近壁处流动，流场初始化时以闸门面板为分界线，上游充满水和淤积物，下游充满空气。闸门在某一开度下计算终止原则为在计算条件下流场稳定。
12、进一步的，所述步骤2中，初始条件考虑细粒含量影响，粗颗粒与闸门摩擦系数计算公式：
13、（1）
14、其中，为淤积物干容重，单位为kn/m3；为淤积物容重，单位为kn/m3。
15、细颗粒与闸门剪切应力，宾汉姆体泥浆的剪切应力方程为：
16、（2）
17、其中，为切应力，单位为kpa；为极限剪应力，单位为kpa；为粘度，单位为kpa·s；为流速梯度，单位为s-1。
18、进一步的，所述步骤4中，紊流计算采用
k-ε紊流模型，水-气两相流、水沙两相流的自由液面通过vof模型进行追踪；其紊流动能输运方程和耗散率方程为如下形式：
19、（3）
20、（4）
21、其中，
k为紊流动能，单位为m2/s2；
ε为紊流动能耗散率，单位为w/kg；表示由水流平均速度梯度产生的紊流动能，单位为m2/s2；表示由浮力和上升力产生的紊流动能，单位为m2/s2；为可压缩紊流脉动膨胀对整个耗散率的影响；为紊流黏性系数，单位为pa·s；
22、紊流黏性系数的计算公式为：；
23、为常系数，在计算中分别取1.00、1.30、0.09、1.44、1.92。
24、进一步的，所述步骤5中，推移质输运方程如下：
25、（5）
26、其中，、为淤积物表面剪切力，单位为kpa，由水力学模型计算得到；
h为淤积高程，单位为m；为平面单宽体积输沙率，计算公式如下：
27、（6）
28、其中，s为泥沙比重；为淤积物表面希尔兹数；为淤积物中值粒径，单位为m；为淤积物起动临界希尔兹数，这里考虑了坡度影响；水平床面上泥沙临界起动希尔兹数计算公式如下：
29、（7）
30、其中，为无量纲泥沙颗粒尺寸：
31、（8）
32、在有坡度的床面上泥沙临界起动希尔兹数计算公式：
33、（9）
34、其中，为床面和水平面的坡脚，单位为°；为泥沙的休止角，单位为°。
35、进一步的，所述步骤5中，淤积物高度调整方法如下：使用编程软件如c语言编写自定义udf函数“adjust_sediment.c”实现如下功能：
36、1）获取每一个时间步vof模型计算结束后的水-沙界面流速和剪切力，求解希尔兹数得到泥沙起动条件；
37、2）根据输沙率公式求解当前输沙率，并根据输沙率调整淤积物高度；
38、3）计算每个单元的最大坡度，若坡度超过了水下休止角则调整淤积物高度，使坡度不超过最大休止角。
39、进一步的，所述步骤3和步骤6中，调整后的水沙分界面利用动网格技术模拟，动网格更新方式采用局部重划模型。
40、与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
41、本专利技术一种淤积条件下泄水闸门提取数值模拟方法，考虑到现有方法只能考虑泥沙压力和剪切力作用，难以顾及淤积物特征和推移质输运过程影响，数值模拟结果较为粗略，所以本专利技术充分考虑了淤积物类型、堆积形态和淤积物特征参数，以及推移质输运过本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种淤积条件下泄水闸门提取数值模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的一种淤积条件下泄水闸门提取数值模拟方法，其特征在于，所述步骤1中，在建立几何模型时考虑淤积物堆积形态影响，闸门前淤积物划分为水平堆积、斜坡堆积、漏斗状堆积三种类型；其中，淤积物表面在闸前呈水平分布称为水平堆积；淤积物表面呈倾向闸门一侧的斜坡状称为斜坡堆积；泄水水流冲刷淤积物在闸前形成漏斗状凹陷，称漏斗状堆积。
3.如权利要求1所述的一种淤积条件下泄水闸门提取数值模拟方法，其特征在于，所述步骤2中，流体域进口和出口均设置为压力边界条件，壁面设置为固壁无滑移边界条件，采用壁面函数处理近壁处流动，流场初始化时以闸门面板为分界线，上游充满水和淤积物，下游充满空气；闸门在某一开度下计算终止原则为在计算条件下流场稳定。
4.如权利要求1所述的一种淤积条件下泄水闸门提取数值模拟方法，其特征在于，所述步骤2中，初始条件考虑细粒含量影响，粗颗粒与闸门摩擦系数计算公式：
5.如权利要求1所述的一种淤积条件下泄水闸门提取数值模拟方法，其特征在于，所述步骤4中，紊流计算采用k-ε紊流模型，水-气两相流、水沙两相流的自由液面通过VOF模型进行追踪；
6.如权利要求1所述的一种淤积条件下泄水闸门提取数值模拟方法，其特征在于，所述步骤5中，推移质输运方程如下：
7.如权利要求1所述的一种淤积条件下泄水闸门提取数值模拟方法，其特征在于，所述步骤5中，淤积物高度调整方法如下：使用编程软件编写自定义UDF函数“Adjust_sediment.c”实现如下功能：
8.如权利要求1所述的一种淤积条件下泄水闸门提取数值模拟方法，其特征在于，所述步骤3和步骤6中，调整后的水沙分界面利用动网格技术模拟，动网格更新方式采用局部重划模型。
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【技术特征摘要】
1.一种淤积条件下泄水闸门提取数值模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的一种淤积条件下泄水闸门提取数值模拟方法，其特征在于，所述步骤1中，在建立几何模型时考虑淤积物堆积形态影响，闸门前淤积物划分为水平堆积、斜坡堆积、漏斗状堆积三种类型；其中，淤积物表面在闸前呈水平分布称为水平堆积；淤积物表面呈倾向闸门一侧的斜坡状称为斜坡堆积；泄水水流冲刷淤积物在闸前形成漏斗状凹陷，称漏斗状堆积。
3.如权利要求1所述的一种淤积条件下泄水闸门提取数值模拟方法，其特征在于，所述步骤2中，流体域进口和出口均设置为压力边界条件，壁面设置为固壁无滑移边界条件，采用壁面函数处理近壁处流动，流场初始化时以闸门面板为分界线，上游充满水和淤积物，下游充满空气；闸门在某一开度下计算终止原则为在计算条件下流场稳定。
4.如权利要求1所述的一种淤积条件下泄水闸门提取数...
【专利技术属性】
技术研发人员：江超，曹昕，盛金保，祖安君，许明祥，丁博杰，马万存，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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