一种竖缝式鱼道漩涡识别方法

技术领域

本发明涉及一种竖缝式鱼道漩涡识别方法，更具体地说，涉及竖缝式鱼道漩涡识别方法，该方法是结合模型建立、涡动力学识别方法的鱼道漩涡识别方法，属于水利工程、生态工程和工程流体检测与控制领域。

背景技术

水利工程在兴利除害的同时对生态环境也带来一些影响，例如对鱼类洄游造成阻碍。鱼道作为一种生态补偿工程，对于保护鱼类资源，恢复河流生物多样性起着重要作用。在众多的鱼道型式中，竖缝式鱼道的实际运行已经取得了不错的效果，然而竖缝式鱼道的消能主要集中在竖缝处，竖缝的束窄使水流形成漩涡，导致鱼道内流速过高，且较大的漩涡范围使得水流流态较为紊乱，体积较小的鱼类上溯容易受到限制。水流中出现漩涡等流态会对鱼类造成不同程度的伤害，如扭伤身体、击坏眼睛、平衡能力下降，如果池室内漩涡尺度过大，超过鱼类的适应范围，鱼类就会迷失方向，甚至冲撞挡板和边壁，影响过鱼效率。随着现代流体力学科学的发展，对漩涡的识别和可视化研究也在不断深入，漩涡结构广泛出现、运用在流体机械中，同时在医学、航空、海洋领域也有了很多突破。因此，研究竖缝式鱼道水力特性，尤其是鱼道中的漩涡特征，为优化鱼道设计、修复鱼类生境提供依据。

鉴于漩涡识别技术在流体领域的广泛应用，可用于对鱼道中的漩涡进行识别，对鱼道设计具有重要的指导意义，目前用于识别漩涡的伽利略不变性下的相关涡判据主要包括以下几种比较有代表性的方法。

λ

λ

Δ判据：该判据也是一个偏弱的判据。因为该判据虽然指出了有涡的区域▽V具有复数(虚数)特征值，但并没有明确无涡的区域是否▽V的所有特征值均为实数。

通过对上述方法的研究概况综述发现，以上所提及典型几种具有伽利略不变性的方法中，在识别流体漩涡时都会存在一些不足，识别效果一般，因此，有必要建立一种能够有效识别竖缝式鱼道中漩涡的数值模拟方法。

发明内容

本发明提供了一种有效识别竖缝式鱼道漩涡的方法，该方法对优化鱼道设计有重要作用，并且扩展了漩涡识别技术在流体领域的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种竖缝式鱼道漩涡识别方法，所述识别方法包括如下步骤：

1)建立竖缝式鱼道计算域的三维几何模型，根据实际研究的三维流动计算域的结构尺寸图，利用几何建模软件建立计算域的三维几何模型；

2)建立三维流动计算流体力学模型，三维流动计算流体力学模型包括流动控制方程；

流经鱼道内的流体假设为不可压缩的牛顿流体，所述的流动控制方程由连续方程、动量方程、k-ε方程构成：

连续方程:

动量方程：

式中，t表示时间；u

k方程和ε方程具有如下形式

上述各式中，σ

采用体积分辨率法VOF追踪水流自由表面运动，其原理是利用空气与水的流体控制方程形式相同但物理特性不同的差异，以所占的比例方式带入控制方程，则自由面位置通过求解水气两相的体积分数连续方程来确定。其方程形式为：

式中：α

3)计算域网格划分，采用六面体结构化网格对计算区域进行网格划分，对鱼道边壁、顶部区域、竖缝处水流区域的网格进行加密处理以便数值计算，获得精细化的流动物理参数，采用基于理查德森外推法的GCI、GCI-OR等网格不确定度估计方法对计算网格离散误差进行估计并确定计算网格的数量；

4)设定边界条件和算法，按照所研究对象的实际运行工况，设定相应的计算区域、求解方法、边界条件进行三维流场的数值计算：计算区域选取所要模拟的池室；采用控制体积法对偏微分方程组进行离散，压力和速度耦合采用SIMPLE方法；模型进口采用速度进口，以前期试验资料的平均流速作为进口流速；出口采用压力出口；顶部设置为气体压力进口，压强1.01×105Pa；边墙、底部及隔板设置为固壁边界，固壁边界采用标准无滑移边界，即壁面速度大小为0m/s；并且基于所建立的计算流体动力学模型，对三维流场进行数值计算；

5)后处理分析，采用后处理软件对4)计算输出的结果进行分析处理，获得流场信息，包括速度场、压力差、涡量场、气相和液相体积分数、漩涡形态及其演化发展过程。

6)基于Q判据对竖缝式鱼道漩涡进行识别，编写Q判据在离散向量场数据中的应用程序以进行漩涡识别。

采用Q判据理论方法对待判别区域的三维流场中的漩涡区进行漩涡识别，Q值为：

其中，S和Ω分别是速度梯度张量矩阵的对称部分和反对称部分，可以通过下列式子求得：

上述式子中的速度梯度是基于原始坐标系下速度梯度张量▽V的坐标变换获得：

其中

按照预设识别方法，基于速度梯度张量

具体地，所述的3)中的网格划分，采用收敛性较好的六面体结构网格对计算区域进行网格划分，时间步长取决于网格尺寸和流速大小；

具体地，所述的3)中的网格加密处理，鱼道边壁、顶部区域、竖缝处水流区域的模拟精度直接影响池室水流结构的模拟结果，则对此处的网格进行加密处理；

具体地，所述的5)后处理软件，可利用各CFD软件自带后处理及通用CFD后处理软件来进行分析，如Tecplot、Paraview等。

具体地，所述的6)中的Q判据，Q>0表示旋转张量Ω大于应变率张量S，即流体的旋转力大于应变力，从而保证漩涡的存在，对流场中流体的旋转起主导地位的涡区进行有效识别。

本发明的有益效果是：

通过对λ

本发明的一种竖缝式鱼道漩涡识别方法，采用对鱼道中的三维流场进行几何建模和流场的数值模拟计算，确保涡识别的准确性，采用速度梯度张量的第二个伽利略不变量Q＞0代表涡结构的漩涡识别方法，其物理意义在于漩涡结构中不仅要求存在涡量(反对称张量Ω)，更进一步要求反对称张量Ω要克服对称张量S所代表的抵消效果，提高了鱼道漩涡识别的精度，并且通过分析对流场物理信息，有助于研究鱼道中漩涡区域的漩涡发生过程，对认识鱼道中的漩涡结构特性以及解决漩涡所引起的诸多问题具有重要的现实意义和生态工程价值，可推广使用漩涡识别的各种方法在流体检测和控制领域的应用。

附图说明

图1是采用Q判据对竖缝式鱼道进行漩涡识别的计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步描述。

实施例1：参考图1，一种竖缝式鱼道漩涡识别方法，所述识别方法包括以下步骤：

1)建立竖缝式鱼道计算域的三维几何模型：根据实际研究的三维流动计算域的结构尺寸图，利用几何建模软件建立计算域的三维几何模型；

2)建立三维流动计算流体力学模型，三维流动计算流体力学模型包括流动控制方程。

流经鱼道内的流体假设为不可压缩的牛顿流体，所述的流动控制方程由连续方程、动量方程、k-ε方程构成：

连续方程:

动量方程：

式中，t表示时间；u

k方程和ε方程具有如下形式：

上述各式中，另σ

采用体积分辨率法VOF追踪水流自由表面运动，其原理是利用空气与水的流体控制方程形式相同但物理特性不同的差异，以所占的比例方式带入控制方程，则自由面位置通过求解水气两相的体积分数连续方程来确定。其方程形式为：

式中：α

3)计算域网格划分，采用六面体结构化网格对计算区域进行网格划分，对鱼道边壁、顶部区域、竖缝处水流区域的网格进行加密处理以便数值计算，获得精细化的物理参数，采用基于理查德森外推法的GCI、GCI-OR等网格不确定度估计方法对计算网格离散误差进行估计并确定计算网格的数量；

4)设定边界条件和算法，按照所研究对象的实际运行工况，设定相应的计算区域、求解方法、边界条件进行三维流场的数值计算：计算区域选取所要模拟的池室；采用控制体积法对偏微分方程组进行离散，压力和速度耦合采用SIMPLE方法；模型进口采用速度进口，以前期试验资料的平均流速作为进口流速；出口采用压力出口；顶部设置为气体压力进口，压强1.01×105Pa；边墙、底部及隔板设置为固壁边界，固壁边界采用标准无滑移边界，即壁面速度大小为0m/s；并且基于所建立的计算流体动力学模型，对三维流场进行数值计算。

5)后处理分析，采用后处理软件对4)计算输出的结果进行分析处理，获得流场信息：包括速度场、压力差、涡量场、气相和液相体积分数、漩涡形态及其演化发展过程。

6)基于Q判据对竖缝式鱼道漩涡进行识别，编写Q判据在离散向量场数据中的应用程序以进行漩涡识别。

采用Q判据理论方法对待判别区域的三维流场中的漩涡区进行漩涡识别，Q值为：

其中，S和Ω分别是速度梯度张量矩阵的对称部分和反对称部分，可以通过下列式子求得：

上述式子中的速度梯度是基于原始坐标系下速度梯度张量▽V的坐标变换获得：

其中

按照预设识别方法，基于速度梯度张量中的第二不变量Q对竖缝式鱼道中的漩涡区域进行识别，当Q>0，则证明有漩涡存在，反之没有。

进一步，所述的3)中的网格划分，采用收敛性较好的六面体结构网格对计算区域进行网格划分，时间步长取决于网格尺寸和流速大小；

进一步，所述的3)中的网格加密处理，鱼道边壁、顶部区域、竖缝处水流区域的模拟精度直接影响池室水流结构的模拟结果，则对此处的网格进行加密处理；

进一步，所述的5)后处理软件，可利用各CFD软件自带后处理及通用CFD后处理软件来进行分析，如Tecplot、Paraview等。

更进一步，所述的6)中的Q判据，Q>0表示旋转张量Ω大于应变率张量S，即流体的旋转力大于应变力，从而保证漩涡的存在，对流场中流体的旋转起主导地位的涡区进行有效识别。

以上结合附图对本发明的技术方案作出详细说明，本发明结合三维流场、建立模型、进行数值模拟分析，构建使用速度梯度张量中的第二不变量Q对竖缝式鱼道中的漩涡区域进行识别的方法，当Q>0，则证明竖缝式鱼道中有漩涡存在，从漩涡流动特性中，能捕捉到大量的流动信息，能够反映出鱼道中漩涡区域的漩涡发生过程，有助于在研究中不断优化和改进竖缝式鱼道以满足当代生态工程发展的需要。

本发明不局限于所描述的技术方法，本领域的普通技术人员能在本发明的原理和技术思想之内，可对这些实施方法进行多种替换、修改，均应认为是本发明的保护范围。