Fluent模型在河道堤防渗透数值计算中的适用性和精度对比分析
2022-05-21
来源:好走旅游网
第04期(总第419期) 【文章编号】1009—2846(2017)04—0023-05 吉 林 水利 2017年04月 Fluent模型在河道堤防渗透数值计算中的 适用性和精度对比分析 刘亿军。曲春阳 (辽宁天阳工程技术咨询服务有限公司,辽宁 沈阳 110000) [摘要】本文结合渗流物理模型试验,分析了Fluent模型在河道堤防渗透计算的适用性,并对比分析了Fluent 模型和传统渗流计算模型在河道堤防渗透计算的精度。研究结果表明:Fluent模型在河道堤防渗透计算具有较 好的适用性.计算的渗透系数和渗流试验分析的堤防渗透系数之间的相对误差值小于15%;Fluent模型由于采 用有限体积方法对非稳定渗透流方程进行离散,计算精度好于传统渗流计算方程,计算误差减少12.2%,相关 系数提高0.28。研究成果对于设计河道堤防的渗透合理计算提供方法参考。 【关键词】渗流物理模型试验;Fluent模型;传统渗流方程;非稳定渗透流;模型适用性和精度对比分析 [中图分类号]Tv 214 [文献标识码]B 2 Fluent模型计算原理 河道堤防设计需要计算堤防的渗透系数,从 而对设计河道堤防的稳定性进行评价。河道堤防 渗透系数的准确计算对于河道堤防设计的合理性 至关重要.因为河道堤防渗透系数和河道堤防的 Fluent模型将区域设定为多孔传输介质的水 流流体,结合达西定律计算河道堤防的渗透孔隙 率以及渗透水流的阻力系数,其渗透计算方程为: :KJ=一K Ⅱs 一 稳定性密切相关,为此许多学者开展对河道堤防 渗透计算的研究,并取得一定的研究成果【t-5],但是 cZs (1) Fluent模型对传统达西计算定律进行了简化 计算,计算方程为: 如 一 传统渗流模型大都采用稳定流方程进行计算,而 河道堤防大都为非稳定渗透流.因此需要进行非 (2) 稳定渗透流计算,从而提高河道堤防设计渗透系 数计算的合理性。当前,Fluent模型采用有限体积 方法对非稳定水流方程进行离散.在非稳定水动 方程(1)和(2)中,K为Fluent模型计算的渗 透系数值(cm/s);I,为渗透水流的水力学比降(%); h为Fluent模型计算的渗透流水头(cm);S为渗透 力学计算中得到具体应用[6- Ol,但在河道堤防非稳 定渗透流数值计算中的应用较少,为此本文结合 渗流物理模型试验。通过对比观测试验分析Fluent 模型在河道堤防渗透数值计算中的适用性.并对 流水力半径(cm);r为渗透流的容重系数(kg/m )。 结合方程(1)和(2)可以推算渗透水流的孔隙 率,计算方程为: =比Fluent模型和传统渗流模型在河道堤防渗透的 计算精度。研究成果对于河道堤防非稳定渗透流 KJ=-K单一坠孕:一 孕 as y as as (3) (4) 计算提供方法参考。 由方程: =一 则Fluent模型的水流阻力系数计算方程计算 的表达式: [收稿日期】2017一O1—23 [作者简介]刘亿军(1986一),男,山西清徐人,助工,现从事水利工程设计工作。 23— 一吉林水利 Fluent模型在河道堤防渗透数值计算中的适用性和精度对比分析刘亿军等2017年04月 一:堕: : v Q Q (5) 、 在方程(6)一(8)K和 的变量含义同方程 9800 (2);z为渗透水流在垂向上的方向参数。 方程(5)中, 为计算的渗透系数值(cnds);or 和 为河道堤防的地质参数。 3模型适用性及精度对比分析 3.1 渗流物理模型试验概况 Fluent模型结合有限体积方法对非稳定渗透 流进行求解计算,求解计算方程为: O(Kxx Ox)+ (=Iv ( dv )+ O( Oz渗透物理模型试验河道长度为45 m,由三个 部分组成.分别为过度连接段、动床河段以及稳水 (6) z 河段,其中动水段试验河长度为30m,在试验河槽 模型假定河道堤防各渗透方向的参数为常数 的上、下游各没置5m的过渡连接河段,过渡连接 值,则方程(6)可转化为以下方程: 河段与动水河床段之间采用长度为20cm的粗砂 Kx +研 +Kz :0 (7) 段进行连接,整个试验河槽平面布置图见图1.渗 a ‘ ay a ‘ 透物理模型河道堤防布设场景图见图2。渗透物理 若模型各渗透方向为同向转换时.其计算方 模型试验布设5个试验断面,结合放水试验.进行 程变化为: 5个试验断面渗透流试验,测定各断面的渗透系 数 + + :0 (8) a av 5咖…十 …5o0o……一r… 一……… r 、一 ,I:2, : 。 【 一 I 2 I= }1I【m0 。 I一 … 一~ … 唧 …一 … …一… ~..3 三二 1、。 ~_ 5 。 :2 。 0 :00 一 ¨l 冀。。 ●■■■●_■■__●_■■■_■■■●●■_____●■____■■■_______■一 图I 模式试验河段平面布置图 表l 各试验断面物理属性参数表 图2渗透试验河道堤防场景图 3.2模型的适用性分析 为对Fluent模型进行河道堤防渗透计算适Hj 性分析,结合渗透物理模型试验对模型进行试验 分析,各试验断面物理参数见表1。进行了3组放 一24一 吉林水利 表2 Fluent模型在河道堤防渗透数值计算中的适用性和精度对比分析刘亿军等基于Fluent模型的渗透系数 2017年o4月 价结果见表2和图3。 计算精度分析结果 组序 . , 表1为各试验断面地质参数,从表1中可以 看出。渗透物理模型试验各试验断面的粘聚力在 (%)(10-Sere/s) 试验测定渗透系数计算渗透系数值相对误差绝对误差 (1O TIl,s) (10-ScIIl,s) 2.69--39.5kPa之间变化,其内摩擦角在8.2。一 23.1o之间变化,其物理参数的变化主要受气土质 和土层厚度有关。表2为采用Fluent模型计算的 各试验断面在不同放水试验下的渗透系数和试验 测定的渗透系数之间的精度分析结果,从表2中 可以看出,采用Fluent模型计算的渗透系数和试 验测定的渗透系数之间相对误差在一3.8%一14.5% 之间,均小于15%,在水利工程设计规范中要求计 算规范小于20%,且两种渗透系数之间的绝对误 差值在0.1xl0 一1.2x10 em/s之间,符合水利工程 设计规范中的精度范围要求。图3为Fluent模型 计算的渗透系数和试验测定的渗透系数过程拟合 度和相关性分析结果,从图中可以看出,在3组放 水试验中,Fluent模型计算各试验断面的渗透系数 和试验测定的渗透系数过程吻合度较高,且相关 水试验,并测定放水试验5个试验断面15组渗透 系数达到0.7651,相关性较高。综上,Fluent模型在 河道堤防的渗透计算具有较好的精度。适用于河 道堤防的渗透计算。 系数值。结合对比试验测定的渗透系数分析Fluent 模型在河道堤防渗透系数计算的适用性,精度评 (a)过程拟合分析 (b)相关性分析 图3 Fluent模型计算的渗透系数和试验测定的渗透系数过程拟合和相关性分析 3.3不同模型精度对比分析 果,从表中可以看出,Fluent模型计算的渗透系数 和试验测定的渗透系数结果好于传统渗透模型。 相比于传统渗透模型.Fluent模型计算的渗透系数 和试验测定的渗透系数之间的相对误差均值减少 12.2%。图4为不同模型计算的渗透系数和试验测 定的渗透系数相关分析结果,从图中可以看出, 在Fluent模型渗透数值计算适用性分析的基 础上,结合2组渗透放水试验,基于放水试验5个 试验断面测定的10组渗透系数数据,对比Fluent 模型和传统渗透计算模型的渗透系数计算精度, 对比分析结果见表3和图4。 表3为不同模型的渗透系数计算精度对比结 Fluent模型计算的渗透系数和试验测定的渗透系 一25— 吉林水利 Fluent模型在河道堤防渗透数值计算中的适用性和精度对比分析刘亿军等2017年04月 数之间的相关系数为0.7852,而传统渗透模型计 算的渗透系数和试验测定的渗透系数之间的相关 系数为0.5042,相比于传统渗透模型,Fluent模型 采用有限体积方法对非稳定渗流方程进行求解。 而传统渗透模型假定渗透水流为稳定的水流。对 方程进行的简化计算,因此计算精度要低于Fluent 模型。 在相关系数上提高0.28。这主要因为Fluent模型 表3 不同模型渗透系数计算精度对比结果 (a)Fluent模型 (b)传统渗透模型 圈4不同模型计算的渗透系数和试验测定的渗透系数相关分析结果 散求解问题,河道堤防渗透计算精度好于传统渗 4 结论 本文结合渗透物理模型试验,采用对比观测 方式分析Fluent模型在河道堤防渗透计算的适用 性.并对比分析Fluent模型和传统渗透模型在河 透模型,可进一步推广应用于河道堤防设计中的 渗透计算。口 参考文献: [1】范朝晖,宋建忠.辽西河道堤防护坡方法分析[J】.吉林水利,2007, (06):15—17. 【2】张德荣,陈小平.土堤坝渗透破坏及抢险措施[J】.吉林水利,2003, (06):31-32. 道堤防渗透计算精度,研究取得以下结论: 1)Fluent模型可用于河道堤防的渗透计算,模 型计算值和试验测定值之间的相对误差小于 [3]韩璐.饮马河堤防防渗方案优选设计【J】.吉林水利,2016,(12): 29—30+33. 15%,符合水利工程设计规范的精度要求; 2)Fluent模型可解决非稳定渗透流的方程离 14]杨扬,徐伟,李再兴,孙健.基于SEEP/W程序的堤防截渗墙防渗 性能研究『J].黄河水利职业技术学院学报,2016,(O1):1-5. 【5】冷爱国.垂直防渗在堤防防渗加固中的比较应用【D].合肥工业大 一26一 吉林水利 F1uent模型在河道堤防渗透数值计算中的适用性和精度对比分析刘亿军等2017年04月 学。2005. 大学.2011. 【6J刘宝星.圃中环沉沙排沙过滤池水工模型试验研究与数值分析 [91 ̄l鑫煜.南排河中心渔港工程潮流泥沙数学模型【D】.天津大学, [D】.新疆农业大学,2013. 20o8. [7】张瑜.基于Fluent的堤防工程渗流场数值分析【D】.太原理工大 【1o]刘宝星.圆中环沉沙排沙过滤池水工模型试验研究与数值分析 学,2013. [D】.新疆农业大学,2013. 【8】林长强.基于FLUENT的土石坝逐渐溃坝水流模拟[D].华中科技 Applicability and Contrast Analysis of Fluent Model in Numerical Calculation of River Dyke Infiltration Liu Yijun,Qu Chunyang Abstract:In this paper.the applicability of Fluent model in seepage calculation of fiver embankment is ana’ lyzed by the physical model test,and the accuracy of Fluent model and traditional seepage calculation model in the calculation of infiltration of river embankment are analyzed and compared.The results show that Fluent model has good applicability in seepage calculation of fiver embankment,and the relative error between the calculated permeability coefficient and seepage coefifcient is less than 15%.Fluent model is more suitbale for unsteady flow due to the finite volume method The calculation accuracy is better than that of the traditional seepage calculation equation.The calculation error is reduced by 12.2%.and the correlation coefficient is in- creased bv 0.28.hTe research results can provide a reference for the design of irver dike infiltration reasonable calculation. Keywords:seepage ph)rsical model test;Fluent model;traditional seepage equation;unsteady seepage flow; model applicability and accuracy comparison analysis (上接第22页) 究fJ1.中国农村水利水电,2016,05:58—60+64. 参考文献: 【6】宋楠.基于PPR模型在辽宁中部区域灌溉用水预测【J】.水科学与 【1】刘艳梅,宋品玉。李强.阜蒙县节水农业存在问题及对策[J】.水土 工程技术,2016,03:39--41. 保持应用技术,20l2,o4:46—47. 【7】徐世民,景淑娟.基于混沌蚁群算法的SVM模型在水库枯水期径 【2】张兵,黄文生,周瑛,袁威.优化灌溉决策模型研究综述[J】.水土保 流预测中的应用们.水利技术监督,2016,06:99—102. 持应用技术,20o9。05:24—26. 【8】雷智昌.水库优化调度混沌蚁群算法数学模型实例研究[J].陕西 f3】曲春阳,刘亿军.基于改进BP神经网络模型的区域农业灌溉用 水利,2010,Ol:99—101. 水预测研究叨.吉林水利,2016,10:1-3+6. [9】王志良,潘文学.混沌蚁群算法在水库优化调度中的应用叨.水利 [4】齐英.灌溉用水预测模型应用与分析叫.水利规划与设计, 与建筑工程学报,2007。o4:31—34. 2016,03:1-2+21. 【l01曲晓宁.电力市场环境下梯级水库发电调度风险顸警系统研究 [5】王鑫东.加权马尔种夫链模型在农业灌溉用水预测中的应用研 『D】.郑州大学,2013. Prediction of agricultural irrigation water quantity in central Liaoning province based on chaotic ant colony algorithm Song Nan Abstract:In this paper,the chaotic ant colony algorithm is used to optimize the computational structure of GM (1,1)model to improve the computational efifciency and precision of GM(1,1)mode1.The GM(1,1)model based on this algorithm is used in the calculation of agriculturla irrigation water in central Liaoning.The results show that the error of annual irrigation water is less than 20%and the calculation error is less than 25%in diferent months.hTe GM(1,1)model based on chaotic ant colony optimization algorithm is better tllan the a— gricuhurla irrigation water quantity Prediction accuracy and applicability.hTe research results can provide ref- erence value for water-saving agiculturla water use planning in centrla Liaoning. Keywords:chaotic ant colony algorithm;GM(1,1)model;agriculturla irrigation water forecast;Liaoning cen- tral region 一27—