一种安全型水域救援训练结构设计方法与流程

本发明涉及水力学数值模拟，具体涉及一种安全型水域救援训练结构设计方法。

背景技术：

1、受极端天气影响，洪涝灾害引发的人员被困事故显著增多，水域救援任务日趋繁重，救援形势越来越严峻。对救援人员来说，不仅要有激流救援的专用装备，更重要的是需要有在激流中进行强化训练和实践的经历。但如果在自然河流训练，不仅受季节性影响，而且风险不可控。因此出现了水域救援模拟设施；

2、比如专利公开号为cn115909837a的中国发明专利公开了激流水道水力设计方法及水域救援综合训练基地，提出了激流水道不同水流流态水力参数的计算方法，使得在水道中可以准确模拟出天然河道多种激流流态；提供了激流水道不同水流流态训练区可供参考的技术要求和设计标准，确保参训人员的人身安全及训练效果；

3、救援人员在激烈流道中训练会耗费大量的体力，在实际使用过程中发现，存在连续通过多个激烈流道造成体力不支，又处于激烈流道中造成危险；同时，在设计水域救援结构中无法及时了解其结构效果，不清楚其设计的水域救援结构的特性是否符合需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种安全型水域救援训练结构设计方法以解决上述问题。

2、本发明提供如下技术方案：

3、一种安全型水域救援训练结构设计方法，包括：

4、建立水域救援训练结构数学模型，水域救援训练结构包括进水池、水道和出口消力池；

5、所述水道包括依次交替连接的激烈流道和缓和流道，所述激烈流道和/或缓和流道内设置有障碍物；激烈流道和缓和流道本质是急流和缓流；

6、划分网格及边界条件处理；

7、以rng k-ε模型模拟从进水池开始、经过水道最终流向出口消力池的紊流；rngk-ε模型是从湍流计算来分类的，适合有强烈涡旋的湍流流动。

8、可压缩气水两相瞬变流动采用vof模型描述；vof模型是从水气界面仿真来分类的，适合有明显水气界面的模型；

9、rng k-ε模型和vof模型联合使用，能较好模拟包含空气和水两种物质，两者有明显交界面的流动。

10、计算水道各设计流量下各个激烈流道和缓和流道的水流流态、水位、流速是否满足设计要求；

11、不满足设计要求时，调节障碍物尺寸或障碍物组合或水道底坡中至少一个，直至满足设计要求。

12、优选的，所述激烈流道为沸腾流、皱眉流、v字流、翻滚流或白色水域，激烈流道往往流速高，且有较高危险性；所述缓和流道为皱眉流、覆盖流、微笑流、过渡区和漩涡流，皱眉流障碍物内侧是休息区和安全区，外侧为收缩断面流速较高有危险性。

13、优选的，所述沸腾流的设计方法如下：

14、计算沸腾流单宽流量q沸腾：

15、

16、其中，q为水道水泵供水能力或上游的最大流速，m3/s；b沸腾为沸腾流水道宽度，m；q沸腾为沸腾流单宽流量，m3/(s·m)；

17、在水力学中，堰流的流量计算公式为：

18、

19、其中为侧收缩系数，，为淹没系数，。

20、其中，m为流量系数，无单位；

21、b为堰顶过水宽度，m；

22、g为重力加速度，g=9.81m/s2。

23、h为沸腾流堰上水头，m；

24、堰顶无收缩，下游水面低于堰顶，因此无淹没影响，故，；

25、公式可变为：

26、

27、两边同时除以b，则左边的流量q变为单宽流量q，单宽流量q单位m3/(s· m)或m2/s；

28、

29、水道设计时，为方便施工往往做成折线堰，折线堰流量系数m范围0.33~0.42，大部分集中在0.38。代入m=0.38和g=9.81m/s2，可得到：

30、

31、

32、

33、根据沸腾流单宽流量q沸腾初步评估沸腾流堰上水头：

34、

35、计算大小，根据相应范围选取水头h快速计算公式：

36、

37、其中，δ为沸腾流堰上水头顶部厚度，m；

38、沸腾流长度l沸，可按训练艇数量计算：

39、l沸=10+nl艇；

40、其中，10为长度单位，m；l艇为训练艇长度，m；n为训练艇数量。

41、优选的，在水力学中，弯道水流壅高可按以下公式计算：

42、h弯道处外侧沟高=h均+0.5h内外侧水位差+（0.3~0.5）

43、

44、

45、上述高度单位为m，对于原公式安全超高（0.3m~0.5m），根据现场放水效果和运行要求稍作降低，安全超高降低为0.15m；

46、因此，所述水道具有至少一处弯道，所述皱眉流布置在弯道位置时，障碍物布置在弯道外侧且障碍物布置方向垂直于水流或指向弯道圆心，其内的障碍物高度计算方法如下：

47、当皱眉流布置在弯道段时，可按以下公式估算弯道外侧障碍物高度：

48、

49、h外为皱眉流弯道段外侧障碍物设计高度，m；

50、h皱均为皱眉流弯道段平均水深，m；

51、v皱为皱眉流弯道段水流行进流速，m/s；

52、b皱为皱眉流弯道段水道宽度，m；

53、r皱为皱眉流弯道段水道外缘弯道半径，m；

54、g为重力加速度，m/s2。

55、优选的，所述v字流水面壅高和v字流的障碍物高度计算方法如下：

56、当v字流的障碍物垂直水流方向布置，从图2分析可知：转弯半径r为v，水面壅高△h按以下公式计算（g=9.81m/s2）：

57、

58、对于原公式安全超高（0.3m~0.5m），根据现场放水效果和运行要求稍作降低，安全超高降低为0.15m，v字流的障碍物高度计算公式为：

59、

60、其中，hv均为v字流段平均水深，m；v为v字流段水流行进流速，m/s。

61、优选的，所述翻滚流利用陡坡或通过减小断面宽度提高水流流速，流速大于4m/s，收缩宽度小于1/2b翻，其中b翻为翻滚流水道宽度，陡坡坡比为1:5~1:10；

62、翻滚流坡底与平底连接，下游翻滚流水深按共轭水深公式计算：

63、

64、fr1为翻滚流收缩断面弗劳德数，fr1大于2.5；

65、h1为翻滚流收缩断面水深，h1大于0.2m；

66、翻滚流长度计算公式：

67、

68、当l翻<10时，取l翻=10m。

69、优选的，所述微笑流的障碍物迎水面形成壅水，背水面形成漩涡回流，按以下公式控制微笑流障碍物尺寸参数：

70、

71、缓流卡门涡的水流流动极其缓慢，而对于水道来说，低雷诺数流动非常少，同类工程微笑流的缓流状态较难实现卡门涡，因此本公式适用大部分湍流卡门涡计算。即雷诺数需要大于3106。雷诺数公式为：

72、

73、其中v为水流流速，单位m/s。为水的运动粘滞系数，20°水温时为1.00310-6，为简化计算取1.010-6。

74、d为绕流特征长度，d为过水面积a与湿周χ的比值，单位m，湿周χ为过水剖面的周长，如图4所示，对微笑流来说：

75、χ=b微-l微+4h微

76、因此，产生微笑流漩涡要求：

77、

78、其中过水面积a=(b微-l微)h微，湿周；

79、

80、其中，v微为微笑流上游水流行进流速，m/s；l微为微笑流障碍物垂直水流方向长度，m；l微取值1/3b微~1/2b微，b微为微笑流水道宽度，m；公式适用水温10℃~20℃；h微为微笑流段水深，m。

81、优选的，所述漩涡流根据训练强度调整，漩涡流区宽度大于8m，漩涡流效果受运行流量影响，漩涡流流速较高，水流呈急流态，此时漩涡区上游水道最小单宽流量q可按以下公式计算：

82、

83、当漩涡流水深h漩取最小值0.6m时，q漩=1.455m³/（s·m）；

84、则漩涡流运行流量为：

85、

86、以q漩为分界，单人训练时流量不超过1.455b漩，若训练水深增大，可根据上式调整q旋大小；

87、其中，q漩为漩涡流段水流流量，m3/s；b漩为漩涡流段水道宽度，m；h漩为漩涡流段水深，m；

88、当fr＜1时，水流为缓流；

89、当fr＝1时，水流为临界流；

90、当fr＞1时，水流为急流，漩涡流上游端为急流状态，其特征是弗汝德数fr>1；

91、对于明渠，流量q可按流速v与过水断面面积a计算。

92、

93、单宽流量：

94、

95、

96、代入fr计算公式

97、

98、

99、g为重力加速度，g=9.81m/s2代入上式有：

100、

101、当漩涡流的水深h漩=0.6m时，q漩>1.455m³/（s·m）。

102、优选的，所述水道至少具有一处弯道，所述漩涡流布置在弯道位置时，其内障碍物布置在弯道内侧，弯道位置的所述漩涡流上游衔接流速向中部集中的激烈流道；或

103、所述漩涡流布置在直道位置时，直道一侧设置凹陷区，直道对立另一侧中部设置障碍物。

104、优选的，所述过渡区布置在各流态之间，所述过渡区最小长度l渡可根据其上游最高行进流速计算：

105、

106、其中，vmax为过渡区上游的最高流速，m/s；3为时间单位，秒；当l渡计算值小于10m时，l渡=10m。结合现场真人体验来看，从突发跌入开始，判断情况并采取动作需要3秒左右反应时间，过渡区上游最大流速vmax与时间3秒相乘为安全长度。

107、优选的，所述水道水面落差6-7m，平均坡降3-6%；或

108、所述水道水面落差6.5m，平均坡降3.48%；或

109、所述水道水面落差6.4m，平均坡降5.37%。

110、优选的，所述进水池内产生3-12m3/s流量的水。

111、优选的，所述划分网格包括结构化网格和非结构化网格，水道的直线段、进水池、出口消力池采用结构化网格，水道的导墙边缘与障碍物采用非结构化网格。

112、本发明具有如下有益技术效果：

113、激烈流道和缓和流道交替设置，使得训练人员在通过一个激烈流道区域后进入缓和流道内，可在缓和流道内进行小幅度动作训练恢复部分体力，使得训练人员保留一定的体力防止发生危险。流道内进行舟艇训练时，过渡区可保证舟艇有足够调整空间保持平衡，以便进行救援。

114、通过rng k-ε模型来模拟设计的水域救援结构紊流，通过vof模型追踪模拟可压缩气水两相瞬变流动，从而可计算出水道各设计流量下各个激烈流道和缓和流道的水流流态、水位、流速是否满足设计要求。

115、流态组合设计时，上下游边界条件均发生变化，通过总结的计算公式，可快速判断水道内障碍物调整方向，利用公式计算结果调整尺寸参数。