高速水流下靠船墩水流冲击力的数值模拟方法与流程

本发明涉及运河设计试验，特别涉及高速水流下靠船墩水流冲击力的数值模拟方法。

背景技术：

1、货运需求快速释放，未来较长一段时期内，经济社会仍有较大发展空间，适水物资运输需求将进一步释放，对海口建设需求愈发迫切，运河的建设关乎地区发展的长远大计。在运河设计过程中，需要依次建设梯级枢纽来实现水位的控制，保障船舶的安全。

2、枢纽通常由船闸、泄洪闸和连接坝组成，枢纽承担着分洪的作用，枢纽分洪工程包括挡水坝和泄洪建筑物，泄洪建筑物在纵向由上游进水渠道段、中间渠道段和下游出水渠段三部分组成。泄洪建筑物位于船闸左侧，在泄洪闸下游处设置有溢流堰，用于确保分洪下泄时中间连接渠道的水深，以减小流速，防止冲刷；溢流堰的下游接下挖式消力池，其后接混凝土护坦，并与船闸下引航道斜向衔接。由于溢流堰出水渠与船闸下引航道斜交，导致下泄水流斜向冲向停泊段中下段，导致该停泊段水流流速大。针对体型较大的船舶通常会在停泊段设立相应的停靠设施，比如靠船墩等，靠船墩是为了防止船舶侧横向移动后撞击到运河坝体，靠船墩多采用钢筋架构混凝土浇灌制成，通常以多个靠船墩为一组横排设立于停泊段水域的地基处。

3、在枢纽分洪时，存在高速水流，出闸水流在溢流堰消力池内形成水跃，水流强烈紊动，在紊动水流中充满着尺寸大小不同、旋转方向各异的无数涡体，消力池水流的混掺作用强烈，可导致水流流速和压力的脉动。由于溢流堰出水渠与船闸下引航道斜交，河势弯曲，下泄水流经消力池扩散出池后，船闸停泊段位于出水渠出口，导致下泄水流斜向冲向停泊段，部分靠船墩位于主流，靠船墩受到水流侧向冲击力大，对靠船墩柱的结构安全产生不利影响。此外在溢流堰下泄紊动水流冲击下，由于水体流经柱体结构物时黏性的存在，会发生边界层分离，形成漩涡，周期性的漩涡脱落导致脉动压力，进而诱发结构物的振动，这可能会进一步破坏靠船墩结构的稳定，从而影响安全使用。

4、为了配合枢纽工程设计，论证和优化靠船墩的结构和布置，需要对分洪时高速水流下靠船墩水流冲击力进行模拟，以验证靠船墩的稳定性能力，研究枢纽消能防冲效果以及船闸通航水流条件等是否满足规范要求，为工程设计提供技术支撑。现有技术中水流冲击力的数值模拟普遍采用流固耦合数值模拟，但现有的方法为考虑溢流堰出水渠与船闸下引航道斜交的情况，无法针对枢纽的实际地形建立数值模拟，导致模拟得到的分洪时高速水流下水流冲击力结果并不准确。因此，当前亟须一种高速水流下靠船墩水流冲击力的数值模拟方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术中存在水流冲击力数值模拟方法无法针对枢纽的实际地形且未考虑到分洪时高速水流下的水流冲击力，导致模拟得到的水流冲击力结果并不准确的问题，提供高速水流下靠船墩水流冲击力的数值模拟方法。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

3、高速水流下靠船墩水流冲击力的数值模拟方法，包括以下内容：

4、基于靠船墩所在枢纽存在的溢流堰出水渠与船闸下引航道斜交情况，建立的枢纽三维模型；

5、采用三维模拟软件，根据建立的所述枢纽三维模型，建立水流数学模型；

6、利用靠船墩所在枢纽物理模型实测的水位及流速分布数据，识别验证所述水流数学模型，得到已识别验证的所述水流数学模型；

7、基于流固耦合数学模型，利用已验证的所述水流数学模型进行高速水流下流固耦合模拟，得到靠船墩水流冲击力结果。

8、本发明的技术方案中，首先基于靠船墩所在枢纽存在的溢流堰出水渠与船闸下引航道斜交情况，建立的枢纽三维模型，然后建立水流数学模型，采用枢纽物理模型与水流数学模型相结合的手段，比较实测和模拟的水位及流速分布数据，二者相互配合，相互补充印证，得到验证后的水流数学模型，然后加入流固耦合数学模型，对下泄水流冲击靠船墩进行流固耦合模拟，得到靠船墩水流冲击力数据。采用本发明方法模拟能基于靠船墩所在枢纽存在的溢流堰出水渠与船闸下引航道斜交情况，模拟靠船墩受到的水流侧向冲击力，进行数值模拟后得到的水流冲击力结果准确，能够用于对靠船墩结构稳定性进行评价并指导靠船墩的设计。

9、作为本发明的优选方案，为完整模拟分洪闸整个泄流过程，以准确模拟得到高速水流下靠船墩水流冲击力，所述枢纽三维模型的模拟范围包括上游进流流态调整段、上引航道段、分洪闸及船闸段、溢流堰及消力池段、下引航道段、下游出流流态调整段，所述枢纽三维模型的模拟长度根据所述枢纽物理模型测定的流速分布数据进行确定，基于流速分布数据，对所述枢纽物理模型的模拟长度进行缩短得到枢纽三维模型的模拟长度。

10、作为本发明的优选方案，建立所述水流数学模型具体包括：

11、s11，对所述枢纽三维模型进行网格划分，将三维空间分割为单元体；

12、s12，确定所述枢纽三维模型的边界范围；进口边界采用分洪时流量边界，出口边界采用压力边界条件，压力边界条件包括分洪时水位高程，流量边界和压力边界条件是是根据一维水流数学模型模拟计算得到；

13、s13，根据处理后的所述枢纽三维模型，建立所述水流数学模型。

14、作为本发明的优选方案，对所述枢纽三维模型进行网格划分时，采用六面体结构化网格，对于研究重点区域分洪进出口靠泊段、分洪闸段及溢流堰段采用渐变网格的处理方法进行局部加密。

15、作为本发明的优选方案，建立的水流数学模型包括连续方程和动量方程，连续方程表达式为：

16、

17、动量方程是指微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和(牛顿第二定律)，方程表达式为：

18、

19、

20、式中，x、y、z分别为三个方向上的坐标分量，单位为m；u、v、w分别为三个方向上的速度分量，单位为m/s；ax、ay、az分别为流体通过三个方向对应的面积分数；t为时间；vf为网格内可供流体流动区域的体积分数；ρ为流体密度，单位为kg/m3；p为压强，单位为pa；gx、gy、gz分别为三个方向上的体积力加速度，单位为m/s2；fx、fy、fz分别为三个方向上的粘滞力加速度，单位为m/s2；μ为动力粘度，单位为pa·s；τ为固体应力。

21、作为本发明的优选方案，所述水流数学模型的计算采用压力-速度耦合算法，包括：

22、s200，设定时间步长，假定中间速度场；

23、s201，利用中间速度场求解动量方程，得到压力修正值与中间速度场关系式；

24、s202，将压力修正值与中间速度场关系式代入连续方程中，得到具有压力修正值的泊松方程；

25、s203，求解泊松方程得到压力修正值与压力场，代回动量方程进而求解新时刻的速度场；

26、s204，判断当前时间步长上的计算是否收敛；若不收敛，返回s201，调整时间步长，继续迭代；若收敛，则进行体积比函数的输运方程计算，并更新自由表面信息，然后进入下一时间长步物理量的迭代。

27、作为本发明的优选方案，体积比函数的输运方程表达式如下：

28、

29、式中f为体积比函数，表示计算域中每个单元流体所占的体积与该单元可容纳流体体积之比；fdif为有效的体积分数扩散项；sc为紊流施密特常数。

30、作为本发明的优选方案，所述枢纽物理模型是根据枢纽结构按照几何比尺为1：60制作的正态模型，通过测量得到枢纽物理模型不同位置的水位及流速分布数据，然后以枢纽物理模型实测的水位及流速分布数据与所述水流数学模型的水位及流速分布数据进行比较，以观察误差是否满足要求，否则要对所述水流数学模型的参数进行反复的调整，直至所述水流数学模型的模拟结果和所述水流数学模型的实测结果有较好的拟合效果为止，以实现对所述水流数学模型的识别验证。

31、作为本发明的优选方案，流固耦合数学模型求解固体区域的标准运动方程表达式为

32、

33、其中ρ为固体材料密度，t为时间，x是固体材料中的一个坐标点，为哈密顿算子，σ是柯西应力张量，b是体积力。

34、作为本发明的优选方案，柯西应力张量是材料中应力状态的量度，由每一个时间步长增量的线性hookean模型计算，计算公式为：

35、

36、式中n和n+1上标表示之前和当前的时间周期，k和g分别为体积模量和剪切模量，e为应变增量，tr(e)为应变增量e的轨迹。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果：

38、1、本发明提供了高速水流下靠船墩水流冲击力的数值模拟方法，首先建立枢纽三维模型，然后建立水流数学模型，采用枢纽物理模型与水流数学模型相结合的手段，比较实测和模拟的水位及流速分布数据，二者相互配合，相互补充印证，得到验证后的水流数学模型，然后加入流固耦合数学模型，对下泄水流冲击靠船墩进行流固耦合模拟，得到靠船墩水流冲击力数据。采用本发明方法模拟能基于靠船墩所在枢纽存在的溢流堰出水渠与船闸下引航道斜交情况，模拟靠船墩受到的水流侧向冲击力，进行数值模拟后得到的水流冲击力结果准确，能够用于基于靠船墩水流冲击力，对靠船墩结构稳定性进行评价并指导靠船墩的设计，保证靠船墩在分洪时的安全性能。

39、2、本发明的数值模拟方法考虑了真实的黏性流体，以及墩水间的流固耦合作用，附加假设条件少，得到的结果在理论上更为真实，本方法模拟得到的高速水流下靠船墩水流冲击力数据和港口规范计算成果量级相当，验证了本方法计算成果可信。