[发明专利]一种高坝泄流挑流水舌的变密度三维仿真方法

说明书

本发明提出一种可以模拟泄流水舌的变密度仿真计算方法。考虑水舌发展过程中水体和气体相互掺混、水舌向四周扩展扩散，水体与水舌中的掺混气体看为一个整体，认为，水舌跌落过程中，水舌密度逐渐变小。并由此，修改水舌沿程密度，推导水舌密度随距离变化过程公式，该方法理论清晰，水舌特性仿真合理，从而能比较精准的计算出挑流水舌运动轨迹，及对下游河道两侧、水垫塘的冲击压力，以便于实现有效防护。

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，涉及一种挑流水舌模拟方法，具体的说是一种高坝泄流挑流水舌的三维仿真方法。

技术背景

当前我国西南地区部分高坝电站处于规划、设计中，如何消除高坝泄水建筑物引起的高速水流对工程的安全影响是电站设计中必须要有效解决的技术问题。对高坝泄水建筑物溢洪道出口挑坎引起的挑流水舌进行精确模拟，就是这类需有效解决的技术难题。

对于泄水建筑物，挑流消能是最常用的一种消能方式，其优点是结构简单、工程量小、投资少，但挑坎体型引起的挑流水舌对下游边坡、水垫塘产生冲击压力，甚至造成破坏，因此对水舌运动轨迹、入水点位置、入水角度、入水速度及对下游床面的冲击压力进行准确模拟和预报是水舌分析研究中最为关心的问题之一。随着计算机性能的迅猛发展，利用数值模拟方法研究挑流水舌成为新的手段，但大多数数值模拟研究，没有考虑水舌运动过程中与四周空气的相互掺混，而水舌为了满足连续性方程，在降落过程中，断面收缩变细，进入水垫塘后，形成一局部很大的冲击压力，这种不考虑水舌与四周空气相互掺混的模拟方法计算所得到的水舌发展过程显然不符合原型水舌变化过程。因此，需要提出新的方法，考虑水舌发展过程中的掺气、扩展过程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有计算方法的缺点，提出一种可以模拟泄流水舌的变密度仿真计算方法。考虑水舌发展过程中水体和气体相互掺混、水舌向四周扩展扩散。把水体与水舌中的掺混气体看为一个整体，认为，水舌跌落过程中，水舌密度逐渐变小。并由此，修改水舌沿程密度，推导水舌密度随距离变化过程公式，该方法理论清晰，水舌特性仿真合理，从而能比较精准的计算出挑流水舌运动轨迹，及对下游河道两侧、水垫塘的冲击压力，以便于实现有效防护。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

基于水舌沿程变厚的经验公式：

h＝h_o+0.04s                         (1-1)

h是沿程水舌厚度，h_o是初始水舌厚度(分别取挑流出口的水舌厚度)。

综合连续性方程、几何关系等推导水舌密度沿程变化公式。

按以下思路推导水舌密度沿程变化公式：

(1)：

根据水舌经验公式(1-1)，计算出沿程水舌厚度h。

(2)：

为了方便数值模拟，求得水舌沿程密度ρ与X方向的关系，因此只需确定水舌沿程距离s与X之间的关系即可。

因此还需进行如下计算：

水舌以挑角θ，流速v_o离开挑坎，流速可分解为垂向运动和水平运动，即假设水流在垂向方向H上做自由落体运动(先向上减速运动，再向下增速运动)，在水平方向X做匀速运动(或给一个负的加速度做减速运动)。

垂向方向移动距离：H＝(v_osinθ)*t+0.5gt²                 (1-2)

水平方向移动距离：X＝(v_ocosθ)*t                 (1-3)