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原文传递一种泄洪洞多通气孔供气系统的优化设计方法

专利名称：	一种泄洪洞多通气孔供气系统的优化设计方法
摘要：	本发明涉及一种泄洪洞多通气孔供气系统的优化设计方法，属于泄洪洞结构优化设计技术领域。该方法将泄洪洞及其多通气孔供气系统中的水流和气流流动视为水‑气分层流，将整个结构划分为多个微元段，并分别列出各个微元段的水流和气流的质量守恒和动量守恒方程，联立各个方程进行迭代求解，基于对水‑气流场的求解，通过改变通气孔结构布置，重复求解步骤可对泄洪洞多通气孔供气系统进行结构设计优化。本发明方法对于大型泄洪洞工程的需气量更准确，且可给出洞内气压预测；具有设置简单，修改方便且可在几十秒内给出计算结果的优势，尤其适用于在泄洪洞结构设计阶段的频繁修改和计算要求，易于推广应用。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	云南;53
申请人：	华能澜沧江水电股份有限公司
发明人：	马洪琪;练继建;王孝群;庞博慧;齐春风
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-23T00:00:00+0800
申请号：	CN201910365415.1
公开号：	CN110158551A
代理机构：	昆明正原专利商标代理有限公司
代理人：	徐玲菊;于洪
分类号：	E02B8/06(2006.01);E;E02;E02B;E02B8
申请人地址：	650214 云南省昆明市世纪城中路1号
主权项：	1.一种泄洪洞多通气孔供气系统的优化设计方法，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nj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： Vw＝(vw1，vw2，...，vwi，...，vwN) (1) Va＝(va1，va2，...，vai，...，vaN) (2) pa＝(pa1，pa2，...，pai，...，paN) (3) Vad＝(vad1，vad2，...，vas，...vam) (4) Pad＝(pad1，pad2，...，pas，...，pam) (5) 其中，Vw表示泄洪洞内各断面平均水流流速，vwi表示第i个断面处的断面平均水流流速；Va和Pa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，vai和pai分别表示第i个断面处的断面平均气流流速和气压；Vad和Pad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，vads和pads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： vaiAai＝vai+1Aai+1 (8) 其中，yi和yi+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；ρw和ρa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；Aai和Aai+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；hwi和hwi+1分别表示断面i和断面i+1的水深；τa表示泄洪洞壁面对气流的剪切应力；τwa表示水流和气流之间的相互作用力τwa＝τaw；对于ΔHf和τwa，表示为：其中，Δhf表示通常明渠中的沿程水头损失；Δhaw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；fwai表示断面i处气流和水流之间的相互作用力系数，Hi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： va1Aad1＝va1Aa1 (13) 其中，ξe1为由于气流从通气孔流入泄洪洞的局部水头损失系数；pad1为第一个通气孔断面的平均气压；Aad1为第一个通气孔断面的断面面积；Aa1为第1个断面的断面面积；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： vadsAads+vupsAups＝vdownsAdowns (16) 其中，下标其中s＝2，3，...，m；pups和pdowns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；vups和vdowns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；Aups和Adowns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；ξes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，ls表示第s个通气孔的长度；ds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： pN＝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(Va，Pa，Vad，Pad)＝0 (19)；求解该方程组，可得到通气孔的风速Vad和气压Pad以及泄洪洞内的风速Va和气压Pa；步骤(5)，根据步骤(4)得到的Vad、Pad、Va和Pa以及《水工隧洞设计规范》(SL279-2016)的要求，调整不符合设计规范的相应的通气孔断面面积，返回步骤(4)参与计算，重复步骤(4)的求解；设不符合设计规范的相应的通气孔断面面积初始设计值通气孔面积调整系数ks，则参与计算的通气孔的断面面积Aads表示为：其中，当0＜ks＜1或ks＞1时，表示将通气孔的断面面积扩大或缩小至初始设计值的ks倍，当ks＝0时，表示不再设置第s个通气孔；通过设置不同的ks来重复步骤(4)的求解，得到对应的Va、Pa、Vad和Pad，直到满足设计规范，得到最优的泄洪洞多通气孔供气系统设计参数。 2.根据权利要求1所述的泄洪洞多通气孔供气系统的优化设计方法，其特征在于，步骤(3)，所述的第s个通气孔的所有局部水头损失包括气流进入通气孔、通气孔局部转弯、局部扩张和局部缩小带来的局部能量损失。 3.根据权利要求1所述的泄洪洞多通气孔供气系统的优化设计方法，其特征在于，步骤(4)所述的求解方法为： (a)输入泄洪洞泄水流量Q、第一个断面的水流流速vw1、泄洪洞洞宽B、沿程断面面积Ai、底板坐标(xi，yi)、泄洪道分段nj，(j＝1，2，...，m)以及通气孔长度ls、断面面积Aads、等效直径ds、局部损失系数ξes；令迭代步n＝0； (b)先根据公式(6)和(9)计算得到得到初始水流流场计算时，公式(6)中先不考虑气压影响，即带有pa，i和pa，i+1的的项不参与计算，公式(9)中先不考虑水气相互作用的影响，即带有τwa的项不参与计算； (c)利用上一步得到的作为输入，计算洞顶余幅面积Aa，i，进而可求得气流湿周给定气流流速和压力的初始值和根据气流流速的初始值计算fwa，i，进而计算τwa和τa；将τwa和τa代入式(7)，将Aa，i和代入式(7)、式(8)和式(12)～(18)，得到形如公式(19)所示的非线性方程组，以前述和为初始值，迭代求解方程组，得到新求解的气流流场和 (d)令n＝n+1；将前一步得到的和代入公式(10)得到τwa，并将τwa和代入公式(6)和(9)计算得到新的 (e)由于已经变化，因此需要根据新的重新计算Aa，i和根据和重新计算τwa和τa，代入公式(7)、式(8)和式(12)～(18)构成方程组，以和作为迭代初始值，迭代求解得到和 (f)计算第n步和第(n-1)步分别得到的气流流速和水流流速的相对误差；若气流流速的相对误差和水流流速的相对误差均小于容许值，则输出计算结果，否则回到(d)步骤再次进行迭代计算。 4.根据权利要求3所述的泄洪洞多通气孔供气系统的优化设计方法，其特征在于，容许值取值为0.001。 5.根据权利要求3所述的泄洪洞多通气孔供气系统的优化设计方法，其特征在于，当进行第n+1步迭代时，将第n步计算结果做如下处理后，再带入公式中进行迭代计算：其中，Ψn表示第n步中得到的变量值，所述的变量值为Vw、Va、Pa、Vad和Pad，为松弛系数。 6.根据权利要求5所述的泄洪洞多通气孔供气系统的优化设计方法，其特征在于，取
所属类别：	发明专利