[发明专利]基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种人工瀑布景观设计主动控制方法。特别是涉及一种用于景观水力学中不同流量下瀑布姿态、流态并包含连续-间断-水气混掺全过程的水气多相瀑布景观的基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法。

背景技术

生态水力和景观水力学是当前国际上研究的新兴热点学科，是水动力学与生态景观理论之间相互作用的一门新兴的交叉学科。从目前的研究现状来看，景观水力学的研究对象一般是复杂现实环境下大尺度的水利景观，其水力特性的计算要求不同于传统泄洪、过流等水力学，一方面缺乏相应的规程规范和标准参考，另一方面由于景观工程范围大、形式多样、边界条件复杂多变，进行二维简化计算往往不具有适用性和科学性，无法把握大尺度下景观水力特性。

理论分析、模型试验和数值模拟是研究流体力学(水力学)的三种主要手段，这三种研究手段和方法在不同时期和阶段相互配合、互为补充，为流体力学学科的发展和各类工程实际问题的最终解决提供了保障。针对大尺度的景观水利工程来说，由于景观工程范围大、形式多样、边界条件复杂多变，一方面，理论方法的研究还很不充分，例如，目前我国现有的设计手册资料中对瀑布景观的设计仅仅限于不同确定形式的堰型下的水力学简化公式，而对于不同流量条件下瀑布的姿态、瀑身的破碎点、堰面光滑度及空气等因素对瀑布观赏性影响的分析则相对甚少，因此对于调控景观水流水气多相形态的控制指标的提出仍然是一个关键问题；另一方面，采用一定比尺的物理模型试验方法进行试验研究难度极大、费用极高且往往不具有可行性。即便可以采用小比尺的物理模型，由于其存在边界条件和水力特征参数率定方面的困难，导致其可操作性很难保证。

从数值模拟的角度考虑，景观水力学仍属于流体力学范畴，其基本力学规律必然遵循牛顿经典力学的理论，因此质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等流体运动的基本运动规律仍然适用。基于此，计算流体动力学的数值模拟技术就存在其在景观水力学仿真中应用的根本前提。通过求解描述流体运动的连续方程、运动方程和能量方程等微分方程，得到计算区域内的所有物理量的时、空分布规律，并可以通过高性能计算机的图像动态显示流动场景，对水力要素—三跌坎、特殊性、水流不连续特点的分析，达到掌握水力学运动特性以及优化大尺度景观建筑物体型的目的。

基于水气混掺特性仿真的人工瀑布景观设计主动控制方法研究的核心就在于如何控制上游的来水量来实现瀑布的自然效果、如何控制水舌跌落位置、如何保证丰水期和枯水期的均匀出水以及包含连续-间断-水气混掺全过程的水气多相瀑布景观设计主动控制技术等问题。目前，已有部分学者定性提出或研究景观瀑布三维仿真数值模拟方法。如宋永嘉,李双江,巴超,等.基于FLOW-3D平台的景观瀑布水力模拟试验研究.中国农村水利水电,2013年第七期，定性提出了镜面水舌长度—单宽流量、堰顶水头—单宽流量的关系曲线，找出了水舌姿态与流量等水力要素的相关性并确定水力设计的相关系数；王靖花,毛根海,陈少庆,贺治国等.景观瀑布的水利设计实验研究.建筑给排水[J],2001年第五期，通过景观瀑布水力设计的研究，找出了水舌形态和水流等水力要素之间的相关关系，并确定水力设计的相关参数，提出了宽顶堰所形成光滑段水舌长度与单宽流量之间的关系曲线，并提出了宽顶堰的起抛流量；王二平,李书阁,等.锡崖沟瀑布景观工程水力模型试验研究.郑州:华北水利水电学报,2009年第30卷第6期，通过模型放水试验表明：流量变化对瀑布水流流态影响很大，利用满足瀑布流的重力和紊动阻力相似的原则进行了其正态模型设计。

可见，不同研究者所研究的内容虽然很近似，但都有较大差别，对于不同流量条件下瀑布的姿态、镜面水舌长度、高速水流在什么样的条件下发生破碎、堰面光洁度对水舌的影响等各种对观赏性产生重大影响的因素的定性或定量分析则基本上是空白,因而使设计人员在对景观瀑布进行水力设计时往往难以确定怎样的流量、堰上水头等参数才能满足景观创意的要求。已有文献对三维仿真数值模拟方法仅仅在定性上做了简单的描述，其使用有较大的局限性。本发明专利特着眼于基于VOF技术和RNG k-ε紊流模型，建立了景观瀑布的CFD数值模型，经过与经验公式的对比，验证了该方法具有较好的准确性与技术可行性，可以直观地表达出直跌坎瀑布镜面水舌、条带状水流及水滴状水流等三种瀑布形态，同时也可形象地展示出三跌坎的水舌跌落位置，提出了调控景观水流水气多相形态的控制指标，通过瀑布景观水流反向控制计算条件，用以指导设计、优化体型，为三跌坎结构设计提供参考。