CN106021739B - 一种对分层水库温差异重流示踪的方法 - Google Patents

一种对分层水库温差异重流示踪的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对分层水库温差异重流示踪的方法，主要包括以下几步：作好地形并画好网格导入计算软件中，选择来流流动所需要的基本方程，选择适合计算要求的紊流模型及其参数；同时根据来流水体实际情况设置来流水体的物理属性及热力学属性。在计算软件中添加一种示踪剂并设置计算示踪剂运动的对流扩散方程及其参数；设定来流中示踪剂溶度为A；计算结束后，选取来流示踪剂浓度的B％作为温差间层流的外轮廓边界，则间层流具体厚度以及中心线所在的具***置等体型特征能够清晰显示。本发明的优点在于：可以清楚地显示温差间层流的运动状况，包括其形状、厚度及中心位置等；保证了计算的精确性。

Description

一种对分层水库温差异重流示踪的方法
技术领域
本发明属于水流检测技术领域，特别涉及一种对分层水库温差异重流示踪的方法。
背景技术
分层水库中，当来流水体密度比环境水体表面密度大时，在水库入口附近将形成下潜流。根据来流水体密度与分层水库环境水体密度不同，会形成不同形式的两种运动状况：沿底坡一直运动的底流和在分离点脱离底坡侵入环境水体中的间层流。由于底流中水温与环境水体的水温的差异，因此数值模拟中可以很容易将其区分，一般取其密度梯度为零处作为底流与环境水体之间的交界面；而对于侵入分层水库环境水体中的间层流，受限于间层流的水温与周围环境水温几乎相同，就从水温的角度来讲，很难区分侵入环境水体中的异重流的运动轨迹。现在一般通用的做法是在来流中添加示踪剂，如高锰酸钾溶液，或者其他可以通过颜色进行区分的示踪剂，通过示踪剂的颜色来进行边界线的区分；这样的确能显示间层流水体，但加入高锰酸钾溶液的来流水体的密度又因此而发生改变，并由此造成了混合溶液的运动规律并不能完全体现纯净的温差异重流在分层水库环境水体中所形成的间层流的运动规律。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种对分层水库温差异重流示踪的方法，避免了由于示踪剂的添加所造成来流物理属性及热力学属性的改变对计算结果的影响，确保了准确性。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种对分层水库温差异重流示踪的方法，步骤如下：
第一步：根据水库实际地形，将水库每个地点的水深以及液面的长度和宽度数据采集后建立适合数值计算的水库模型图，并将水库模型图划分为网格状图形存入计算机中；
第二步：创建水体流动过程中所涉及的基本方程，包括：连续性方程、动量方程、能量方程，选择k-εRNG紊流模型进行计算；
第三步：根据来流水体实际情况在软件例如ansys或者fluent软件中设置来流水体的物理属性和热力学属性，包括密度、比热、导热系数、热膨胀系数、粘性系数；
第四步：在来流中添加少量任何其他溶液作为示踪剂，例如盐酸溶液，改变盐酸溶液原有的基本属性参数，在软件例如ansys或者fluent软件中改变示踪剂的基本物理属性和热力学属性使其与来流的基本属性完全一致，包括密度、比热、导热系数、热膨胀系数、粘性系数；通过软件改变其示踪剂的物理属性和热力学属性，避免了由于一般情况下示踪剂的添加所造成来流物理属性及热力学属性的改变对计算结果的影响，保证了最后计算的精确性，确保最后可以准确的确定分层水库温差异重流的轮廓边界。
第五步：设置计算示踪剂运动的对流扩散方程，其中对流扩散方程具体表示为式中，ui为坐标系i方向的流速；xi坐标系i方向坐标；c为示踪剂的溶度；t为时间；D为示踪剂扩散系数；R为源项；
第六步：设定来流中示踪剂浓度为A，其中A为5～20g/L；
第七步：选取来流示踪剂浓度的B％作为来流水体进入分层水库形成的温差异重流的外轮廓边界，则浓度B％等值线所包裹的水体即为示踪对象-温差异重流，其中B％的取值为4～20％。本发明通过示踪剂和来流水体的浓度来确定分层水库形成的温差异重流的外轮廓边界，方法简单，结果显示更精确。
进一步的，步骤五中设定示踪剂扩散系数D为零，同时设定源项R为零。示踪剂扩散系数D为零则表示：示踪剂的运动只有随来流水体而运动自身在水体中没有扩散的影响。通过将扩散系数设置为零，则避免了示踪剂在运动过程中对来流水体的扩散造成影响，防止后续计算中影响计算结果，保证了最后计算的精确性，确保最后可以准确的确定分层水库温差异重流的轮廓边界。
进一步的，步骤七中来流示踪剂浓度的B％中，B取值为5～15。
进一步的，步骤七中来流示踪剂浓度的B％中，B取值为10。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明可以清楚地显示分层水库中温差异重流的运动状况，包括其形状、厚度及中心位置等，本发明可以准确的确定分层水库温差异重流的轮廓边界。
2、本发明对分层水库温差异重流进行示踪时，避免了由于一般情况下示踪剂的添加所造成来流物理属性及热力学属性的改变对计算结果的影响，并在计算过程中设定示踪剂的扩散系数为零，保证了示踪剂在水库中只有随来流输移运动，从而保证了显示的精确性。
3、原来研究间层流时需要特定的示踪剂，但本发明提出任何的不同溶液都能作为示踪剂，并且示踪剂的添加不影响计算结果。原有的添加示踪剂大部分都采用示踪剂的颜色来对来流水体的晕哦东进行跟踪，其添加示踪剂的方法改变了来流水体的密度，对计算结果造成影响，而本发明涉及的方法通过对示踪剂的浓度来确定分层水库温差异重流的轮廓边界，其不会对计算结果造成影响。本发明主要通过下面的方法实现：a、改变作为示踪剂的溶液的原有的物理属性和热力学属性使其与来流的物理属性和热力学属性一致；b、改变数值模拟中计算示踪剂溶液运动的对流扩散方程中的参数，设定示踪剂的扩散系数为零。
附图说明
图1是分层水库中温差异重流运动示意图；
图2是实例水库初始时刻水温分布图；
图3是实例中t＝50s时水库中示踪剂浓度等值线图；
图4是实例中t＝120s时水库中示踪剂浓度等值线图；
图5是实例中t＝120s时间层流外轮廓边界图。
具体实施方式
下面结合ansys学生版和具体实施方式，进一步阐明本发明。
实施例一：如图1-5所示，主要包括以下几步：
第一步：根据水库实际地形，将水库每个地点的水深以及液面的长度和宽度数据采集后建立适合数值计算的水库模型图，并将水库模型图划分为网格状图形存入计算机中；
第二步：创建水体流动过程中所涉及的基本方程，包括：连续性方程、动量方程、能量方程，选择k-εRNG紊流模型进行计算；
第三步：根据来流水体实际情况在软件例如ansys或者fluent软件中设置来流水体的物理属性和热力学属性，包括密度、比热、导热系数、热膨胀系数、粘性系数；如图2所示初始时刻水库水温分布图，来流水温为17.5℃；
第四步：在来流中添加少量盐酸溶液作为示踪剂，在软件例如ansys或者fluent软件中改变盐酸溶液原有的基本物理属性和热力学属性使其与来流的基本属性完全一致，包括密度、比热、导热系数、热膨胀系数、粘性系数；通过软件改变其示踪剂的物理属性和热力学属性，避免了由于一般情况下示踪剂的添加所造成来流物理属性及热力学属性的改变对计算结果的影响，保证了最后计算的精确性，确保最后可以准确的确定分层水库温差异重流的轮廓边界。
第五步：设置计算示踪剂运动的对流扩散方程，其中对流扩散方程具体见式1：
式中，ui为坐标系i方向的流速；xi坐标系i方向坐标；c为示踪剂的溶度；t为时间；D为示踪剂扩散系数；R为源项。
式(1)是示踪剂运动的基本方程，式(1)中可以看出，对示踪剂浓度变化影响的方式主要包括三方面：对流项、扩散项和源项，即式(1)中的第二项、第三项和第四项，分别对应着示踪剂的随来流水体运动、浓度差异造成的示踪剂扩散及示踪剂流入/流出计算区域水体中这样三种会对计算域中示踪剂浓度产生影响的情况。具体地讲，对于某一个固定位置处例如一定体积的水体中示踪剂的浓度变化是由随来流水体进入/流出该位置体积的示踪剂、该位置体积示踪剂自身扩散及没有示踪剂流出/流入此位置体积的计算域中。
第六步：来流中盐酸溶液的浓度转换为质量溶度为10g/ml，则示踪剂在水体的运动就可以用上述公式(1)来描述，由于示踪剂的物理属性和热力学属性与来流水体的物理属性和热力学属性相同，来流水体中尽管加入了示踪剂，但来流水体的基本属性并没有受到任何影响，因此，加入示踪剂的来流在水库中的运动并没有因此受到任何影响；在对对流扩散方程中系数进行设置时，设定源项为零，即没有示踪剂流出/流入计算域，并设定示踪剂扩散系数为零，即示踪剂没有扩散，只有随来流水体的迁移运动，则示踪剂的运动与来流水体的运动路径基本相同。
第七步：根据上述设置完成计算后，根据实际情况，显示示踪剂的浓度等值线，根据关于污染物间层流研究中用来流污染物浓度的10％作为污染物间层流外轮廓线，以来流水体中示踪剂浓度的10％作为来流进入环境水体中后间层流的外轮廓边界，则可以清晰地显示温差间层流的基本轮廓、厚度及中心线所在的具***置。完成计算后，显示示踪剂的浓度等值线图，如图3为t＝50s时水库中示踪剂的浓度等值线图，图4为t＝120s水库中示踪剂的浓度等值线图，取盐酸溶液浓度的10％作为间层流外轮廓边界，则间层流的外轮廓见图5。
实施例二：本发明步骤如下：
第一步：根据水库实际地形，将水库每个地点的水深以及液面的长度和宽度数据采集后建立适合数值计算的水库模型图，并将水库模型图划分为网格状图形存入计算机中；
第二步：创建水体流动过程中所涉及的基本方程，包括：连续性方程、动量方程、能量方程，选择k-εRNG紊流模型进行计算；
第三步：根据来流水体实际情况在软件例如ansys或者fluent软件中设置来流水体的物理属性和热力学属性，包括密度、比热、导热系数、热膨胀系数、粘性系数；
第四步：在来流中添加少量任何其他溶液作为示踪剂，例如盐酸溶液，改变盐酸溶液原有的基本属性参数，在软件例如ansys或者fluent软件中改变示踪剂的基本物理属性和热力学属性使其与来流的基本属性完全一致，包括密度、比热、导热系数、热膨胀系数、粘性系数；通过软件改变其示踪剂的物理属性和热力学属性，避免了由于一般情况下示踪剂的添加所造成来流物理属性及热力学属性的改变对计算结果的影响，保证了最后计算的精确性，确保最后可以准确的确定分层水库温差异重流的轮廓边界。
第五步：设置计算示踪剂运动的对流扩散方程，其中对流扩散方程具体表示为式中，ui为坐标系i方向的流速；xi坐标系i方向坐标；c为示踪剂的溶度；t为时间；D为示踪剂扩散系数；R为源项；设定示踪剂扩散系数D为零，同时设定源项R为零。示踪剂扩散系数D为零则表示：示踪剂的运动只有随来流水体而运动自身在水体中没有扩散的影响。通过将扩散系数设置为零，则避免了示踪剂在运动过程中对来流水体的扩散造成影响，防止后续计算中影响计算结果，保证了最后计算的精确性，确保最后可以准确的确定分层水库温差异重流的轮廓边界。
第六步：设定来流中示踪剂浓度为A，其中A为5g/L；
第七步：选取来流示踪剂浓度的B％作为来流水体进入分层水库形成的温差异重流的外轮廓边界，则浓度B％等值线所包裹的水体即为示踪对象-温差异重流，其中B％的取值为4％。本发明通过示踪剂和来流水体的浓度来确定分层水库形成的温差异重流的外轮廓边界，方法简单，结果显示更精确。
实施例三：第一步：根据水库实际地形，将水库每个地点的水深以及液面的长度和宽度数据采集后建立适合数值计算的水库模型图，并将水库模型图划分为网格状图形存入计算机中；
第二步：创建水体流动过程中所涉及的基本方程，包括：连续性方程、动量方程、能量方程，选择k-εRNG紊流模型进行计算；
第三步：根据来流水体实际情况在软件例如ansys或者fluent软件中设置来流水体的物理属性和热力学属性，包括密度、比热、导热系数、热膨胀系数、粘性系数；
第四步：在来流中添加少量任何其他溶液作为示踪剂，例如盐酸溶液，改变盐酸溶液原有的基本属性参数，在软件例如ansys或者fluent软件中改变示踪剂的基本物理属性和热力学属性使其与来流的基本属性完全一致，包括密度、比热、导热系数、热膨胀系数、粘性系数；通过软件改变其示踪剂的物理属性和热力学属性，避免了由于一般情况下示踪剂的添加所造成来流物理属性及热力学属性的改变对计算结果的影响，保证了最后计算的精确性，确保最后可以准确的确定分层水库温差异重流的轮廓边界。
第五步：设置计算示踪剂运动的对流扩散方程，其中对流扩散方程具体表示为式中，ui为坐标系i方向的流速；xi坐标系i方向坐标；c为示踪剂的溶度；t为时间；D为示踪剂扩散系数；R为源项；设定示踪剂扩散系数D为零，同时设定源项R为零。示踪剂扩散系数D为零则表示：示踪剂的运动只有随来流水体而运动自身在水体中没有扩散的影响。通过将扩散系数设置为零，则避免了示踪剂在运动过程中对来流水体的扩散造成影响，防止后续计算中影响计算结果，保证了最后计算的精确性，确保最后可以准确的确定分层水库温差异重流的轮廓边界。
第六步：设定来流中示踪剂浓度为A，其中A为20g/L；
第七步：选取来流示踪剂浓度的B％作为来流水体进入分层水库形成的温差异重流的外轮廓边界，则浓度B％等值线所包裹的水体即为示踪对象-温差异重流，其中B％的取值为20％。本发明通过示踪剂和来流水体的浓度来确定分层水库形成的温差异重流的外轮廓边界，方法简单，结果显示更精确。
以上所述仅为本发明的实施例子而已，并不用于限制本发明，本发明对于数值计算中研究对象的精确显示尤其适用。凡在本发明的原则之内，所作的等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明未作详细阐述的内容属于本专业领域技术人员公知的已有技术。

Claims (4)

1.一种对分层水库温差异重流示踪的方法，其特征在于：步骤如下：
第一步：根据水库实际地形，将水库每个地点的水深以及液面的长度和宽度数据采集后建立适合数值计算的水库模型图，并将水库模型图划分为网格状图形存入计算机中；
第二步：创建水体流动过程中所涉及的基本方程，包括：连续性方程、动量方程、能量方程，选择k-εRNG紊流模型进行计算；
第三步：根据来流水体实际情况在软件中设置来流水体的物理属性和热力学属性，包括密度、比热、导热系数、热膨胀系数、粘性系数；
第四步：在来流中添加其他溶液作为示踪剂，在软件中改变示踪剂的基本物理属性和热力学属性使其与来流的基本属性完全一致，包括密度、比热、导热系数、热膨胀系数和粘性系数；
第五步：设置计算示踪剂运动的对流扩散方程，其中对流扩散方程具体表示为式中，ui为坐标系i方向的流速；xi坐标系i方向坐标；c为示踪剂的溶度；t为时间；D为示踪剂扩散系数；R为源项；
第六步：设定来流中示踪剂浓度为A，其中A为5～20g/L；
第七步：选取来流示踪剂浓度的B％作为来流水体进入分层水库形成的温差异重流的外轮廓边界，则浓度B％等值线所包裹的水体即为示踪对象-温差异重流，其中B％的取值为4～20％。
2.根据权利要求1所述的一种对分层水库温差异重流示踪的方法，其特征在于：所述第五步中设定示踪剂扩散系数D为零，同时设定源项R为零。
3.根据权利要求1或2所述的一种对分层水库温差异重流示踪的方法，其特征在于：所述第七步中来流示踪剂浓度的B％中，B取值为5～15。
4.根据权利要求1所述的一种对分层水库温差异重流示踪的方法，其特征在于：所述步骤七中来流示踪剂浓度的B％中，B取值为10。
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