[发明专利]泄洪洞通气孔与洞顶余幅联合优化设计方法

摘要

本发明涉及一种泄洪洞通气孔与洞顶余幅联合优化设计方法，属于泄洪洞结构优化设计技术领域。该方法基于泄洪洞内水流和气流的质量守恒和动量守恒，求解泄洪洞内的气压和风速；以洞顶余幅空间内的气压作为主要优化指标，提出通过改变洞顶余幅进行多次计算得到余幅‑气压曲线，通过改变通气孔面积多次计算得到余幅‑气压曲线簇，并基于此提出了通气孔与洞顶余幅联合优化设计方法。本发明方法首先可为洞顶余幅面积的合理设置即泄洪洞洞身尺寸的合理设计提供依据，并实现通气孔面积对于洞顶余幅空间的最优匹配，能够在降低泄洪洞洞顶余幅空间内的负压的同时又极大地减小工程建设成本，易于推广应用。

主权项

1.泄洪洞通气孔与洞顶余幅联合优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)，将泄洪洞明流段的水‑气两相流视为分层流动，以原泄洪洞多通气孔供气系统的m个通气孔和1个泄洪洞出口为节点，以第一个通气孔为起点，即以闸门下游侧为起点，将泄洪洞分成m段；为了进行更精细的计算，在每个分段内，再进一步细分为任意n_j个微元段，j＝1，2，...，m；整个泄洪洞共被分成N个微元段，之后建立如下方程：V_w＝(v_w1，v_w2，...，v_wi，...，v_wN)    (1)V_a＝(v_a1，v_a2，...，v_ai，...，v_aN)    (2)P_a＝(p_a1，p_a2，...，p_ai，...，p_aN)    (3)V_ad＝(v_ad1，v_ad2，...，v_as，...，v_am)    (4)P_ad＝(p_ad1，p_ad2，...，p_as，...，p_am)    (5)其中，V_w表示泄洪洞内各断面平均水流流速，v_wi表示第i个断面处的断面平均水流流速；V_a和P_a分别表示泄洪洞洞顶余幅空间内各断面平均气流流速和各断面平均气压，v_ai和p_ai分别表示第i个断面处的断面平均气流流速和气压；v_ad和P_ad分别表示各个通气孔与泄洪洞交叉位置处的断面平均气流流速和断面平均气压，v_ads和p_ads分别对应第s个通气孔的气流流速和气压；i＝1，2，...，N；s＝1，2，...，m；步骤(2)，列任意一个微元段两端断面i和断面i+1之间的方程，包括水流的能量方程、气流的质量守恒方程和气流的动量守恒方程：v_aiA_ai＝v_ai+1A_ai+1    (8)其中，y_i和y_i+1表示断面i和断面i+1处泄洪洞底板高程；g表示重力加速度；ρ_w和ρ_a分别为水和空气的密度；θ表示泄洪洞底板于水平面的夹角；B表示泄洪洞的断面宽度；A_ai和A_ai+1表示两个断面处的洞顶余幅面积,表示两个断面的平均空气湿周；ds表示两个断面的距离；h_wi和h_wi+1分别表示断面i和断面i+1的水深；τ_a表示泄洪洞壁面对气流的剪切应力；τ_wa表示水流和气流之间的相互作用力τ_wa＝τ_wa；对于ΔH_f和τ_wa，表示为：其中，Δh_f表示通常明渠中的沿程水头损失；Δh_aw表示气流对水流的拖曳力作用造成的水头损失；为两个断面之间的水流湿周的平均值；表示水流流速平均值；表示气流流速平均值；f_wai表示断面i处气流和水流之间的相互作用力系数，H_i为泄洪洞断面i处的断面等效高度；ω为待定系数，取值为0.028；步骤(3)，列第一个通气孔的能量方程和质量守恒方程：v_a1A_ad1＝v_a1A_a1    (13)其中，ξ_e1为由于气流从通气孔流入泄洪洞的局部水头损失系数；p_ad1为第一个通气孔断面的平均气压；A_ad1为第一个通气孔断面的断面面积；A_a1为断面1的断面面积；列除第一个通气孔外，其他任意第s个通气孔断面和对应两侧泄洪洞断面的能量方程和质量守恒方程：v_adsA_ads+v_upsA_ups＝v_downsA_downs    (16)其中，其中s＝2，3，...，m；p_ups和p_downs分别对应泄洪洞内第s个通气孔上游侧和下游侧的微元段断面处的断面平均气压；v_ups和v_downs分别对应泄洪洞内第s个通气孔上游侧和下游侧的微元段断面处的断面平均气流流速；A_ups和A_downs分别对应泄洪洞内第s个通气孔上游侧和下游侧的微元段断面处的洞顶余幅面积；ξ_es为由于气流从第s个通气孔流入泄洪洞的局部水头损失系数；设各个通气孔入口断面的气压和气流流速均为0，列伯努利方程：其中，l_s表示第s个通气孔的长度；d_s为第s个通气孔的直径或等效直径；(∑ξ)_s为第s个通气孔的所有局部水头损失；泄洪洞出口断面的气压为0：p_N＝0    (18)步骤(4)，将将式(7)、式(8)和式(12)～(18)组合，得到关于泄洪洞中气流流动的非线性方程组：F＝F(V_a，P_a，V_ad，P_ad)＝0    (19)；求解该方程组，可得到通气孔的风速V_ad和气压P_ad以及泄洪洞内的风速V_a和气压P_a；步骤(5)，根据步骤(4)得到的洞顶余幅空间内的气压P_a，取任意一个断面位置处的气压作为控制指标，改变洞顶余幅面积，分别采用步骤(4)所述方法计算不同洞顶余幅时，洞顶余幅空间的气压，绘制洞顶余幅‑气压曲线，得到该洞顶余幅‑气压曲线的气压最大及气压最小的两个极值点，气压最大极值点对应的洞顶余幅面积为A_max，气压最小极值点对应的洞顶余幅面积为A_min；步骤(6)，同时同比例改变所有通气孔的横断面面积，分别计算不同比例下，洞顶余幅空间的气压，绘制改变前及各比例改变后的洞顶余幅‑气压曲线，之后将改变前及各比例改变后的洞顶余幅‑气压曲线中洞顶余幅这一坐标进行无量纲化处理，得到改变前及各比例改变后的A_洞顶余幅/A_通气孔‑气压曲线；所述的无量纲化处理是洞顶余幅这一坐标替换为相应的洞顶余幅空间的横断面面积除以其相应的通气孔的横断面面积；其中，A_洞顶余幅为洞顶余幅空间的横断面面积；A_通气孔为所有通气孔的横断面面积总和；步骤(7)，将步骤(6)得到的所有的A_洞顶余幅/A_通气孔‑气压曲线的气压最大值对应的A_洞顶余幅/A_通气孔取均值，得到Z_max；将步骤(6)得到的所有的A_洞顶余幅/A_通气孔‑气压曲线的气压最小值对应的A_洞顶余幅/A_通气孔取均值，得到Z_min；则泄洪洞通气孔与洞顶余幅联合优化设计方案为：A_洞顶余幅/A_通气孔取值为Z_min～Z_max，洞顶余幅取值为A_min～A_max；步骤(8)，根据步骤(7)给出的洞顶余幅取值范围A_min～A_max和A_洞顶余幅/A_通气孔取值范围Z_min～Z_max，结合实际情况，选定洞顶余幅面积和通气孔面积，并将其代入步骤(4)所述计算方法，计算得到该设计尺寸下泄洪洞内的风速、气压，并验证其是否满足《水工隧洞设计规范》(SL279‑2016)的要求。