本發(fā)明涉及一種監(jiān)測湖庫水體流場漂浮物的設計方法，是一種水力學研究的輔助方法，是一種用于設計在河流中漂流而研究胡泊或水庫中水體流場的漂流物的方法。

背景技術：

1、寬廣水面的湖泊和水庫，從表面看起來是平靜和安詳?shù)?，但實際上，由于注入、流出的水流或風的擾動等多種因素，在湖水表面存在著水體的自然流動，這種自然流動主要存在于水體的面層，當然在一些情況下水體的深處也存在水體的流動，但水體的表面流動更加直接，對人類生活的影響更大。長期以來，對湖泊和水庫等寬廣水體表層的水流進行觀測一直采用投擲簡單的浮標并肉眼觀察，手繪流場的方式。所采用的浮標形狀主要根據(jù)制造方便而設計得，而不是根據(jù)水力學原理而設計。什么樣的浮標符合水動力學要求，如何設計一種符合水流要求，能夠精確的顯示湖庫水流的漂浮物是一個需要解決的問題。

技術實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術的問題，本發(fā)明提出了一種監(jiān)測湖庫水體流場漂浮物的設計方法。所述的方法通過設定七種具有代表意義的模擬漂流物，對其進行物理模型實驗和虛擬空間的模擬模型的模擬，最終得出球型能夠代表水流流動軌跡的結論。

2、本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種監(jiān)測湖庫水體流場漂浮物的設計方法，所述方法的步驟如下：

3、步驟1，選定控制方程：

4、控制方程：用x、y二維直角坐標系表達：

5、

6、式中：ρ為流體密度；t為時間；p為壓力；u為速度的x分量；v為速度的y分量；μ為流體動力粘度；

7、步驟2，選定分析方式：

8、選擇有限元法作為離散方式：所述有限元法離散過程為：

9、1)將流體求解計算區(qū)域離散成多個獨立單元，而后基于變分法或者加權余量法生成各個單元中的離散方程，以致誤差函數(shù)降為最小值而且出現(xiàn)穩(wěn)定解；

10、2)將各個單元中的離散方程組合到一起，得到整個流域內的總體方程組，然后通過給定的初始值和邊界條件進而得到整個流域內的數(shù)值解；

11、步驟3，建模及網格劃分：在實驗室建立物理模型和在計算機的模擬空間建立模擬模型；物理模型：設置兩側有左右邊壁的流水槽，水流沿左右邊壁流動模擬模型：數(shù)值模擬模型采用非結構化三角網格對流體域進行離散，為使其得到較為精確的結果，對圓球表面進行局部網格加密，所述的物理模型和數(shù)值模擬模型及數(shù)值模擬模型的網格包括：

12、(1)完整圓球：將一個完整球體作為漂流物固定在流水槽一側，在模擬空間構建相應的流水槽和球體，并在球體周圍建立網格，球體周圍的網格密集，之后逐漸增大網格；

13、(2)直線貫穿型圓球：將一個帶有貫穿球心的圓柱孔的圓球體作為漂流物固定在流水槽一側，圓柱孔的中心軸線垂直于水流方向，在模擬空間帶有貫穿球心的圓柱孔的圓球體的周圍建立網格，帶有貫穿球心的圓柱孔的圓球體周圍與球體接近的邊壁之間的網格密集，之后逐漸增大網格；

14、(3)十字貫穿型圓球：將一個帶有正交圓柱孔貫穿的圓球體作為漂流物固定在流水槽一側，兩個圓柱孔一個垂直于水流方向，一個順水流方向，在模擬空間的球體周圍建立網格，球體周圍與球體接近的邊壁之間的網格密集，之后逐漸增大網格；

15、(4)等直徑雙圓球：將兩個緊密固定結合在一起的直徑相同的圓球體作為漂流物固定在流水槽一側，兩個球體順水流方向排列，在模擬空間的球體周圍建立網格，球體周圍與球體接近的邊壁之間的網格密集，之后逐漸增大網格；

16、(5)一大一小雙圓球：將兩個緊密固定結合在一起的直徑不同的圓球體作為漂流物固定在流水槽一側，兩個球體沿水流方向排列，直徑相差一倍，在模擬空間的球體周圍建立網格，球體周圍與球體接近的邊壁之間的網格密集，之后逐漸增大網格；

17、(6)橢圓球：設置兩側有左右邊壁的流水槽，水流沿左右邊壁流動，將一個長短軸相差一倍的橢球體固定在流水槽一側，橢球長軸順水流方向，在模擬空間的球體周圍建立網格，球體周圍與球體接近的邊壁之間的網格密集，之后逐漸增大網格；

18、(7)帶凸起的圓球：設置兩側有左右邊壁的流水槽，水流沿左右邊壁流動，將一個外圓周均布多個小球球體固定在流水槽一側，大球體的直徑大于小球直徑的兩倍以上，在模擬空間的球體周圍建立網格，球體周圍與球體接近的邊壁之間的網格密集，之后逐漸增大網格；

19、步驟4，邊界條件與參數(shù)設置：邊界條件的設置如下：

20、(1)入口邊界條件類型為均勻來流邊界條件：

21、u中＝umax，

22、其中：入口中間的流速u中為最大速度umax，流速向兩側邊壁逐漸減小；

23、(2)出口邊界條件類型設置為自由出流邊界條件：

24、p＝0；

25、其中：p為出口壓力；

26、(3)平行水流方向的邊壁邊界條件：

27、v＝0

28、(4)根據(jù)流體力學的基本假設，將漂流物表面設置為無滑移邊界條件：

29、u＝0，v＝0；

30、步驟5，多類型漂流物數(shù)值模擬仿真與對比分析：在流水槽中開啟水流，中間為最大流速，流速向兩側邊壁逐漸減小，流速在邊壁處為0；測量各個漂流物兩側的壓強，并計算各個漂流物左右兩側水流的壓強差；同時在計算機中開啟數(shù)值模型模擬，模擬水流在模擬流水槽流經模擬漂流物，生成各個模擬漂流物的兩側壓強分布；漂流物的左側為水流流速較大的區(qū)域，其壓強較小，而右側為水流流速較小的區(qū)域，其壓強較大；據(jù)此，漂流物在水流中傾向于向壓強較小的一側運動，即傾向于向水流流速較大的中間位置移動；由物理模型實驗和數(shù)值模擬模型的壓強模擬可知，在七種類型漂流物中，圓球所受到的壓強差最大，表明在七種漂流物類型中圓球體最有利于隨主流運動。

31、本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是：本發(fā)明通過對精心選取的七種漂流物進行物理實驗和計算機模擬，計算出七種漂流物的流動特點和在水流中左右兩側壓力差，根據(jù)物體傾向于向壓差較小的一邊運動的特點，經過對比和模擬，確定球型為最容易在流速最大的水流中漂流的形狀，從而得出球型物體作為漂流浮標的形狀，球型漂流物的運動軌跡能夠精確的代表湖庫中水流的流動軌跡。

技術特征：

1.一種監(jiān)測湖庫水體流場漂浮物的設計方法，其特征在于，所述方法的步驟如下：

技術總結
本發(fā)明涉及一種監(jiān)測湖庫水體流場漂浮物的設計方法，包括：選定控制方程；選定分析方式；建模及網格劃分；邊界條件與參數(shù)設置；多類型漂流物數(shù)值模擬仿真與對比分析。本發(fā)明通過對精心選取的七種漂流物進行物理實驗和計算機模擬，計算出七種漂流物的流動特點和在水流中左右兩側壓力差，根據(jù)物體傾向于向壓差較小的一邊運動的特點，經過對比和模擬，確定球型為最容易在流速最大的水流中漂流的形狀，從而得出球型物體作為漂流浮標的形狀，球型漂流物的運動軌跡能夠精確的代表湖庫中水流的流動軌跡。

技術研發(fā)人員：劉曉波,張永生,王偉杰,黃愛平,董飛,王文豪,李磊
受保護的技術使用者：中國水利水電科學研究院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9