[发明专利]一种基于CFD预测消浪过程的方法及其生态修复应用

说明书

技术领域

本发明涉及生态工程技术领域，特别涉及一种基于CFD预测消浪过程的方法及其生态修复应用。

背景技术

湖泊生态环境修复对于改善生态环境、提高居民生活质量具有重要的意义，传统的湖泊生态修复方法可分为物理方法、化学方法和生物方法，其中化学方法难以治本，尤其对湖泊中常见的水生微生物集中爆发灾害，例如蓝藻，沿湖居民深受其害。由于湖水波浪较为湍急，对湖岸用于生态修复的人工植被等具有较强的摧毁力，人工栽培的水生植物与湖岸床底较难固定，存活时间难以满足消纳水生微生物的作用。为防止洪峰期间出现洪涝灾害，很多湖畔构筑过人工石坝，湖浪撞击石坝时对湖床会形成“马蹄涡效应”，新沉积的湖床土层难以稳定，对湖畔人工栽培的水生植物的稳固和存活极为不利。因此，通过修筑布局合理的消浪设施(例如消波坝、群桩等)，对涌进湖畔的风生浪进行扰动，撞击过程可吸收波浪动能，使湖水浪流由湍急形态转换到平缓状态，减少浪爬高，使得湖畔用于消纳有害微生物的水生植物根茎周围可以逐渐形成稳固的湖床，从而创造湖泊生态修复的基本条件。

现有湖水生态修复工程中用到的消浪方案未进行准确的定量分析，消浪设施的消浪效果无法得到准确预测，同时消浪设施在湖床的稳固性和抗浪冲击疲劳性也无法得到精确评估，最终直接导致消浪设施被湖浪击垮，人工栽培的水生植物无法长期存活，修复效果不明显或者修复失败。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于CFD预测消浪过程的方法，包括如下步骤：

S100、拟合湖床地形数字图像：基于实测的湖床测绘图，拟合生成地形数字图像；

S200、拟合地形曲面：采集地形数字图像上的点坐标数据，拟合生成地形曲面；

S300、利用消浪设施与地形曲面构造流体域几何模型：基于地形曲面的边界线，利用几何拓扑学创建辅助曲面，封闭地形曲面、辅助曲面和消浪设施围成的区域，形成流体域几何模型；

S400、建立消浪过程流动数值计算模型：根据流体力学基本方程建立包含体积分数函数输运计算格式和水气交界自由表面重构算法的数值计算模型；

S500、对所述流体域几何模型进行网格划分，得到流体域网格模型，用于离散流体力学基本方程和体积分数函数输运方程；

S600、基于流体域网格模型，设定所述的初始条件、边界条件(含入射波)，进行数值求解，得到消浪过程的定量结果；

进一步的，所述步骤S100拟合湖床地形数字图像的步骤为：

S1001、编制拟合计算程序，读取实测湖床地形测绘图中的等高线数据；

S1002、设定拟合步长，基于所述等高线数据得到地形数字图像。

进一步的，所述边界条件包括壁面边界、流体域入口边界、流体域出口与侧面边界；

其中：

所述壁面边界：采用无滑移壁面边界条件；

所述流体域出口与侧面边界：采用静水压力边界；

所述流体域入口边界：采用人工波浪边界条件。

进一步的，所述入射波采用二阶Stokes波。

进一步的，所述步骤S400中的数值计算模型包括N-S方程离散格式、体积分数函数输运模型以及自由表面重构算法模型。

进一步的，所述步骤S500中进行网格划分时采用结构化网格划分，将流体域几何模型剖分成若干个具备扫掠特征的子特征，设置网格密度控制数据，基于扫掠特征生成流体域的六面体网格。

优选的，所述六面体网格包括棱柱体网格、正方体网格、长方体网格。

进一步的，所述初始条件包括基于流体域网格模型的初始水位分布、初始流速。

进一步的，所述数值求解能够采用的方法包括有限差分法和有限体积法。

进一步的，所述方法还包括：

S700、利用步骤S600求解得到的结果，指导消浪设施本体设计。

进一步的，所述消浪设施包括消波坝、消浪墙和群桩。

优选的，所述消波坝、消浪墙和群桩的边界条件采用无滑移壁面边界条件。

优选的，所述消浪墙采用段状分布。

进一步的，所述消浪设施本体设计包括壁面压力分布模式统计、壁面压力时间历程分析、消浪墙配筋计算。

进一步的，所述方法还包括：

S800、将上述计算结果及设计结果作为生态修复的量化依据，应用于生态修复工程。