基于水氣混摻特性仿真的人工瀑布景觀設(shè)計主動控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種人工瀑布景觀設(shè)計主動控制方法。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)計主動控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 生態(tài)水力和景觀水力學(xué)是當(dāng)前國際上研宄的新興熱點學(xué)科，是水動力學(xué)與生態(tài)景 觀理論之間相互作用的一門新興的交叉學(xué)科。從目前的研宄現(xiàn)狀來看，景觀水力學(xué)的研宄 對象一般是復(fù)雜現(xiàn)實環(huán)境下大尺度的水利景觀，其水力特性的計算要求不同于傳統(tǒng)泄洪、 過流等水力學(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)行二維簡化計算往往不具有適用性和科學(xué)性，無法把握大尺 度下景觀水力特性。
[0003] 理論分析、模型試驗和數(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 工程實際問題的最終解決提供了保障。針對大尺度的景觀水利工程來說，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 現(xiàn)有的設(shè)計手冊資料中對瀑布景觀的設(shè)計僅僅限于不同確定形式的堰型下的水力學(xué)簡化 公式，而對于不同流量條件下瀑布的姿態(tài)、瀑身的破碎點、堰面光滑度及空氣等因素對瀑布 觀賞性影響的分析則相對甚少，因此對于調(diào)控景觀水流水氣多相形態(tài)的控制指標(biāo)的提出仍 然是一個關(guān)鍵問題；另一方面，采用一定比尺的物理模型試驗方法進(jìn)行試驗研宄難度極大、 費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、動量守恒定律和能量守恒定律等流體運動 的基本運動規(guī)律仍然適用。基于此，計算流體動力學(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。通過求解描述流體運動的連續(xù)方程、運動方程和能量方程等微 分方程，得到計算區(qū)域內(nèi)的所有物理量的時、空分布規(guī)律，并可以通過高性能計算機(jī)的圖像 動態(tài)顯示流動場景，對水力要素一三跌坎、特殊性、水流不連續(xù)特點的分析，達(dá)到掌握水力 學(xué)運動特性以及優(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)計主動控制方法研宄的核心就在于如 何控制上游的來水量來實現(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-水氣混摻全過程的水氣多相瀑布景觀設(shè)計主動控 制技術(shù)等問題。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平臺的景觀瀑布水力模擬試驗研宄.中國農(nóng)村 水利水電，2013年第七期，定性提出了鏡面水舌長度一單寬流量、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)計的相關(guān)系數(shù)；王靖 花，毛根海，陳少慶，賀治國等.景觀瀑布的水利設(shè)計實驗研宄.建筑給排水[J]，2001年 第五期，通過景觀瀑布水力設(shè)計的研宄，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)計的相關(guān)參數(shù)，提出了寬頂堰所形成光滑段水舌長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，李書閣，等.錫崖溝瀑布景觀工程水力模 型試驗研宄.鄭州：華北水利水電學(xué)報，2009年第30卷第6期，通過模型放水試驗表明： 流量變化對瀑布水流流態(tài)影響很大，利用滿足瀑布流的重力和紊動阻力相似的原則進(jìn)行了 其正態(tài)模型設(shè)計。
[0006] 可見，不同研宄者所研宄的內(nèi)容雖然很近似，但都有較大差別，對于不同流量條件 下瀑布的姿態(tài)、鏡面水舌長度、高速水流在什么樣的條件下發(fā)生破碎、堰面光潔度對水舌的 影響等各種對觀賞性產(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) 計人員在對景觀瀑布進(jìn)行水力設(shè)計時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)對三維仿真數(shù)值模擬方法僅僅在定性上做了簡單的描述，其使 用有較大的局限性。本發(fā)明專利特著眼于基于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)過與經(jīng)驗公式的對比，驗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)，通過瀑布景觀水流反向控制計算條件，用以指導(dǎo)設(shè)計、優(yōu)化體型，為三跌坎結(jié)構(gòu)設(shè)計 提供參考。
[0007] 傳統(tǒng)的通過試驗分析景觀瀑布的水力學(xué)特性進(jìn)行設(shè)計，為了預(yù)覽景觀瀑布設(shè)計方 案的泄流效果，往往要對瀑布進(jìn)行動態(tài)仿真。瀑布的仿真常采用基于粒子的方法，通過改變 粒子群的位置、速度、加速度等參數(shù)來實現(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，也就無法預(yù)測枯水期的泄流狀 〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種通過三維數(shù)值仿真模擬，調(diào)節(jié)來水流量， 避免枯水期形成劣質(zhì)景觀，保證在各個流量下，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)計主動控制方法。
[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)計主 動控制方法，包括如下步驟：
[0010] 1)建立寬頂堰瀑布模型；
[0011] 2)利用CFD(計算流體動力學(xué)）中flow3d軟件，計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Q0. 3m~ 5m，下游范圍長L2=lm~20m，瀑布寬0? 5m~10m。
[0015] 步驟2)所述的計算瀑布流速、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)對模型上所賦予的流體進(jìn)行網(wǎng)格剖分；
[0019] (4)對流體設(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軟件自動進(jìn)行計算；
[0022] (7)查詢計算結(jié)果。
[0023] 第（4)步所述的流體邊界條件包括：上游截斷邊界采用靜水壓力邊界，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)對于枯水季，上游來水量不能滿足最佳流體高度時，通過降低寬頂堰瀑布模型 底板高程來增大上游水位以達(dá)到最佳流體高度范圍；
[0027] (2)對于豐水季，上游來水量超過最佳流體高度時，通過增加寬頂堰瀑布模型底板 高程來降低上游水位以達(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)計主動控制方法，通過三維數(shù) 值仿真模擬，調(diào)節(jié)來水流量，避免枯水期形成劣質(zhì)景觀，保證在各個流量下，各瀑布段的景 觀效果均達(dá)到最佳，同時可以根據(jù)來水流量預(yù)測瀑布流態(tài)以及瀑布水流的跌落位置，通過 瀑布景觀水流反向控制計算條件，用以指導(dǎo)設(shè)計、優(yōu)化體型，為施工提供巨大方便。本專利 擬提出的方法在景觀水力學(xué)問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 全過程的水氣多相瀑布景觀設(shè)計主動控制技術(shù)等一些特征問題上的研宄方面具有較高的 參考價值和指導(dǎo)意義。
【附圖說明】
[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)口流量時程曲線對比；
[0031] 圖3是直跌坎瀑布模型示意圖；
[0032] 圖4a是來水流量6. 3m3/s下直跌坎的水流流態(tài)效果圖；
[0033] 圖4b是來水流量15m3/s下直跌坎的水流流態(tài)效果圖；
[0034] 圖4c是來水流量23m3/s下直跌坎的水流流態(tài)效果圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的基于水氣混摻特性仿真的人工瀑布景觀設(shè)計 主動控制方法做出詳細(xì)說明。
[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)計主動控制方法，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1^= 0. 3m~5m，下 游范圍長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L1= 0? 7m，下游范圍長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。<