基于水氣混摻特性仿真的人工瀑布景觀設(shè)計(jì)主動(dòng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種人工瀑布景觀設(shè)計(jì)主動(dòng)控制方法。特別是涉及一種用于景觀水力 學(xué)中不同流量下瀑布姿態(tài)、流態(tài)并包含連續(xù)-間斷-水氣混摻全過(guò)程的水氣多相瀑布景觀 的基于水氣混摻特性仿真的人工瀑布景觀設(shè)計(jì)主動(dòng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 生態(tài)水力和景觀水力學(xué)是當(dāng)前國(guó)際上研宄的新興熱點(diǎn)學(xué)科，是水動(dòng)力學(xué)與生態(tài)景 觀理論之間相互作用的一門(mén)新興的交叉學(xué)科。從目前的研宄現(xiàn)狀來(lái)看，景觀水力學(xué)的研宄 對(duì)象一般是復(fù)雜現(xiàn)實(shí)環(huán)境下大尺度的水利景觀，其水力特性的計(jì)算要求不同于傳統(tǒng)泄洪、 過(guò)流等水力學(xué)，一方面缺乏相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)參考，另一方面由于景觀工程范圍大、形 式多樣、邊界條件復(fù)雜多變，進(jìn)行二維簡(jiǎn)化計(jì)算往往不具有適用性和科學(xué)性，無(wú)法把握大尺 度下景觀水力特性。
[0003] 理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬是研宄流體力學(xué)（水力學(xué)）的三種主要手段，這三 種研宄手段和方法在不同時(shí)期和階段相互配合、互為補(bǔ)充，為流體力學(xué)學(xué)科的發(fā)展和各類(lèi) 工程實(shí)際問(wèn)題的最終解決提供了保障。針對(duì)大尺度的景觀水利工程來(lái)說(shuō)，由于景觀工程范 圍大、形式多樣、邊界條件復(fù)雜多變，一方面，理論方法的研宄還很不充分，例如，目前我國(guó) 現(xiàn)有的設(shè)計(jì)手冊(cè)資料中對(duì)瀑布景觀的設(shè)計(jì)僅僅限于不同確定形式的堰型下的水力學(xué)簡(jiǎn)化 公式，而對(duì)于不同流量條件下瀑布的姿態(tài)、瀑身的破碎點(diǎn)、堰面光滑度及空氣等因素對(duì)瀑布 觀賞性影響的分析則相對(duì)甚少，因此對(duì)于調(diào)控景觀水流水氣多相形態(tài)的控制指標(biāo)的提出仍 然是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題；另一方面，采用一定比尺的物理模型試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)研宄難度極大、 費(fèi)用極高且往往不具有可行性。即便可以采用小比尺的物理模型，由于其存在邊界條件和 水力特征參數(shù)率定方面的困難，導(dǎo)致其可操作性很難保證。
[0004] 從數(shù)值模擬的角度考慮，景觀水力學(xué)仍屬于流體力學(xué)范疇，其基本力學(xué)規(guī)律必然 遵循牛頓經(jīng)典力學(xué)的理論，因此質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律等流體運(yùn)動(dòng) 的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律仍然適用?；诖耍?jì)算流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬技術(shù)就存在其在景觀水力 學(xué)仿真中應(yīng)用的根本前提。通過(guò)求解描述流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程和能量方程等微 分方程，得到計(jì)算區(qū)域內(nèi)的所有物理量的時(shí)、空分布規(guī)律，并可以通過(guò)高性能計(jì)算機(jī)的圖像 動(dòng)態(tài)顯示流動(dòng)場(chǎng)景，對(duì)水力要素一三跌坎、特殊性、水流不連續(xù)特點(diǎn)的分析，達(dá)到掌握水力 學(xué)運(yùn)動(dòng)特性以及優(yōu)化大尺度景觀建筑物體型的目的。
[0005] 基于水氣混摻特性仿真的人工瀑布景觀設(shè)計(jì)主動(dòng)控制方法研宄的核心就在于如 何控制上游的來(lái)水量來(lái)實(shí)現(xiàn)瀑布的自然效果、如何控制水舌跌落位置、如何保證豐水期和 枯水期的均勻出水以及包含連續(xù)-間斷-水氣混摻全過(guò)程的水氣多相瀑布景觀設(shè)計(jì)主動(dòng)控 制技術(shù)等問(wèn)題。目前，已有部分學(xué)者定性提出或研宄景觀瀑布三維仿真數(shù)值模擬方法。如 宋永嘉，李雙江，巴超，等.基于FL0W-3D平臺(tái)的景觀瀑布水力模擬試驗(yàn)研宄.中國(guó)農(nóng)村 水利水電，2013年第七期，定性提出了鏡面水舌長(zhǎng)度一單寬流量、堰頂水頭一單寬流量的 關(guān)系曲線，找出了水舌姿態(tài)與流量等水力要素的相關(guān)性并確定水力設(shè)計(jì)的相關(guān)系數(shù)；王靖 花，毛根海，陳少慶，賀治國(guó)等.景觀瀑布的水利設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研宄.建筑給排水[J]，2001年 第五期，通過(guò)景觀瀑布水力設(shè)計(jì)的研宄，找出了水舌形態(tài)和水流等水力要素之間的相關(guān)關(guān) 系，并確定水力設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)，提出了寬頂堰所形成光滑段水舌長(zhǎng)度與單寬流量之間的 關(guān)系曲線，并提出了寬頂堰的起拋流量；王二平，李書(shū)閣，等.錫崖溝瀑布景觀工程水力模 型試驗(yàn)研宄.鄭州：華北水利水電學(xué)報(bào)，2009年第30卷第6期，通過(guò)模型放水試驗(yàn)表明： 流量變化對(duì)瀑布水流流態(tài)影響很大，利用滿足瀑布流的重力和紊動(dòng)阻力相似的原則進(jìn)行了 其正態(tài)模型設(shè)計(jì)。
[0006] 可見(jiàn)，不同研宄者所研宄的內(nèi)容雖然很近似，但都有較大差別，對(duì)于不同流量條件 下瀑布的姿態(tài)、鏡面水舌長(zhǎng)度、高速水流在什么樣的條件下發(fā)生破碎、堰面光潔度對(duì)水舌的 影響等各種對(duì)觀賞性產(chǎn)生重大影響的因素的定性或定量分析則基本上是空白，因而使設(shè) 計(jì)人員在對(duì)景觀瀑布進(jìn)行水力設(shè)計(jì)時(shí)往往難以確定怎樣的流量、堰上水頭等參數(shù)才能滿足 景觀創(chuàng)意的要求。已有文獻(xiàn)對(duì)三維仿真數(shù)值模擬方法僅僅在定性上做了簡(jiǎn)單的描述，其使 用有較大的局限性。本發(fā)明專(zhuān)利特著眼于基于V0F技術(shù)和RNGk-e紊流模型，建立了景觀 瀑布的CFD數(shù)值模型，經(jīng)過(guò)與經(jīng)驗(yàn)公式的對(duì)比，驗(yàn)證了該方法具有較好的準(zhǔn)確性與技術(shù)可 行性，可以直觀地表達(dá)出直跌坎瀑布鏡面水舌、條帶狀水流及水滴狀水流等三種瀑布形態(tài)， 同時(shí)也可形象地展示出三跌坎的水舌跌落位置，提出了調(diào)控景觀水流水氣多相形態(tài)的控制 指標(biāo)，通過(guò)瀑布景觀水流反向控制計(jì)算條件，用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)、優(yōu)化體型，為三跌坎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 提供參考。
[0007] 傳統(tǒng)的通過(guò)試驗(yàn)分析景觀瀑布的水力學(xué)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了預(yù)覽景觀瀑布設(shè)計(jì)方 案的泄流效果，往往要對(duì)瀑布進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。瀑布的仿真常采用基于粒子的方法，通過(guò)改變 粒子群的位置、速度、加速度等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)逼真的瀑布效果。但其理論基礎(chǔ)不是水力學(xué)，所 以不能得到準(zhǔn)確的水力學(xué)數(shù)據(jù)，如流速、水流厚度、水量等，也就無(wú)法預(yù)測(cè)枯水期的泄流狀 〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種通過(guò)三維數(shù)值仿真模擬，調(diào)節(jié)來(lái)水流量， 避免枯水期形成劣質(zhì)景觀，保證在各個(gè)流量下，各瀑布段的景觀效果均達(dá)到最佳的基于水 氣混摻特性仿真的人工瀑布景觀設(shè)計(jì)主動(dòng)控制方法。
[0009] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于水氣混摻特性仿真的人工瀑布景觀設(shè)計(jì)主 動(dòng)控制方法，包括如下步驟：
[0010] 1)建立寬頂堰瀑布模型；
[0011] 2)利用CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）中flow3d軟件，計(jì)算不同流體高度的瀑布流速、 流量和流態(tài)；
[0012] 3)根據(jù)不同流體高度的瀑布流態(tài)確定賦予模型上的最佳流體高度范圍；
[0013] 4)根據(jù)最佳流體高度范圍確定寬頂堰瀑布模型的高度。
[0014] 步驟1)所述的寬頂堰瀑布模型中，水流落差P= 0. 5m~20m，巖石長(zhǎng)Q0. 3m~ 5m，下游范圍長(zhǎng)L2=lm~20m，瀑布寬0? 5m~10m。
[0015] 步驟2)所述的計(jì)算瀑布流速、流量和流態(tài)包括：
[0016] (1)導(dǎo)入步驟1)所建立的寬頂堰瀑布模型；
[0017] (2)設(shè)定賦予模型上的流體高度H= 0? 01m~1. 5m;
[0018] (3)對(duì)模型上所賦予的流體進(jìn)行網(wǎng)格剖分；
[0019] (4)對(duì)流體設(shè)置邊界條件；
[0020] (5)設(shè)定輸出變量，包括流速、流量和壓力；
[0021] (6)flow3d軟件自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算；
[0022] (7)查詢計(jì)算結(jié)果。
[0023] 第（4)步所述的流體邊界條件包括：上游截?cái)噙吔绮捎渺o水壓力邊界，F(xiàn)= 1;下 游出口采用靜水壓力邊界，F(xiàn)= 0 ;上邊界采用氣體壓力邊界，總壓力為大氣壓力；采用無(wú)滑 移壁面條件處理寬頂堰瀑布模型表面，近壁區(qū)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。
[0024] 步驟3)所述的最佳流體高度的確定是：當(dāng)瀑布景觀水流流態(tài)清晰地出現(xiàn)鏡面水 舌、條帶狀水流、水滴狀水流三種流態(tài)時(shí)的高度范圍為最佳流體高度范圍。
[0025] 步驟4)所述的根據(jù)最佳流體高度范圍確定寬頂堰瀑布模型的高度包括：
[0026] (1)對(duì)于枯水季，上游來(lái)水量不能滿足最佳流體高度時(shí)，通過(guò)降低寬頂堰瀑布模型 底板高程來(lái)增大上游水位以達(dá)到最佳流體高度范圍；
[0027] (2)對(duì)于豐水季，上游來(lái)水量超過(guò)最佳流體高度時(shí)，通過(guò)增加寬頂堰瀑布模型底板 高程來(lái)降低上游水位以達(dá)到最佳流體高度范圍。
[0028] 本發(fā)明的基于水氣混摻特性仿真的人工瀑布景觀設(shè)計(jì)主動(dòng)控制方法，通過(guò)三維數(shù) 值仿真模擬，調(diào)節(jié)來(lái)水流量，避免枯水期形成劣質(zhì)景觀，保證在各個(gè)流量下，各瀑布段的景 觀效果均達(dá)到最佳，同時(shí)可以根據(jù)來(lái)水流量預(yù)測(cè)瀑布流態(tài)以及瀑布水流的跌落位置，通過(guò) 瀑布景觀水流反向控制計(jì)算條件，用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)、優(yōu)化體型，為施工提供巨大方便。本專(zhuān)利 擬提出的方法在景觀水力學(xué)問(wèn)題不同流量下瀑布姿態(tài)、流態(tài)并包含連續(xù)-間斷-水氣混摻 全過(guò)程的水氣多相瀑布景觀設(shè)計(jì)主動(dòng)控制技術(shù)等一些特征問(wèn)題上的研宄方面具有較高的 參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1是寬頂堰瀑布模型示意圖；
[0030] 圖2是出口流量與進(jìn)口流量時(shí)程曲線對(duì)比；
[0031] 圖3是直跌坎瀑布模型示意圖；
[0032] 圖4a是來(lái)水流量6. 3m3/s下直跌坎的水流流態(tài)效果圖；
[0033] 圖4b是來(lái)水流量15m3/s下直跌坎的水流流態(tài)效果圖；
[0034] 圖4c是來(lái)水流量23m3/s下直跌坎的水流流態(tài)效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的基于水氣混摻特性仿真的人工瀑布景觀設(shè)計(jì) 主動(dòng)控制方法做出詳細(xì)說(shuō)明。
[0036] 本發(fā)明的基于水氣混摻特性仿真的人工瀑布景觀設(shè)計(jì)主動(dòng)控制方法，包括如下步 驟：
[0037] 1)建立如圖1所示的寬頂堰瀑布模型；
[0038] 所述的寬頂堰瀑布模型中，水流落差P= 0. 5m~20m，巖石長(zhǎng)1^= 0. 3m~5m，下 游范圍長(zhǎng)L2=lm~20m，瀑布寬0? 5m~10mm〇
[0039] 圖1是寬頂堰瀑布模型示意圖。水流落差P=0.62m，堰上水頭H=0.24m，巖石 長(zhǎng)L1= 0? 7m，下游范圍長(zhǎng)L2= 2m，瀑布寬lm。圖中的Yc指上游臨界水深、Vc指上游臨界 流速、YP指瀑布腳下水深、Lp指下游穩(wěn)定水深至瀑布腳下的距離。<