一种基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法与流程

1.一种基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立通气洞内的气体运动基本方程，建立引水隧洞内的液体运动基本方程，建立调压室涌浪基本方程，推求气体密度与压力及压缩性系数的关系，建立上游水库端、压力管道机组侧、通气洞接大气端及串联管连接处的边界条件，建立引水隧洞、调压室及通气洞内的流量和压力的初始条件；

步骤2，基于调压室涌浪基本方程和通气洞内的气体运动基本方程，推导气液交界面耦合方程，建立调压室水位液面与通气洞气体分界面的气液耦合模型；利用所述气液耦合模型将通气洞内的气体运动基本方程、引水隧洞内的液体运动基本方程、调压室涌浪基本方程、气体密度与压力及压缩性系数的关系耦合在一起，建立包含引水隧洞、调压室和通气洞在内的液体-气体运动整体模型；

步骤3，依据建立的包含引水隧洞、调压室和通气洞在内的液体-气体运动整体模型及特征线解法，结合针对设有通气洞的水电站引水隧洞与调压室建立的边界条件和初始条件，并对边界条件中的压力管道机组侧流量边界取不同流量变化过程，并采用计算机编程建立模拟程序，该模拟程序可以同时计算调压室水位波动和通气洞过渡过程中的风速。

2.根据权利要求1所述的基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法，其特征在于：

对于所述气液耦合模型：在推导气液交界面耦合方程时，要用到调压室涌浪基本方程和通气洞内的气体运动基本方程，两组方程根据一定的假设建立联系，可以得到气液交界面耦合方程，然后与气体、液体压力管道的特征线解法联立，可以实现对气液耦合模型各计算参数的模拟计算。

3.根据权利要求2所述的基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法，其特征在于：

所述调压室内涌浪水位基本方程为：

1)动量方程

和

2)连续性方程

Q_P1-Q_P2＝Q_S，

式中：A为引水管道断面积，m²；L为引水管道长度,m；Z为调压室内的水位,m，以向上为正；k为阻力系数；Q_P1为1号管段末端面流量，m³/s；Q_P2为2号断面首断面流量，m³/s；Q_S为进出调压室的流量，m³/s，以进入调压室内为正。

4.根据权利要求2所述的基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法，其特征在于：

所述气体管道流量边界方程为：

1)连续方程：

和

2)动量方程：

$\frac{\∂p}{\∂x}+\frac{{\mathrm{\α}}^2}{A}\frac{\∂M}{\∂t}+\frac{pgsin\mathrm{\θ}}{B^2}+\frac{{\mathrm{fB}}^{2}M\left|M\right|}{2{\mathrm{DA}}^{2}p}=0,$

相关参数的定义如下：

(a)M为质量流量，p为气体绝对压力，θ为管道断面形心连线与水平面的夹角，α为惯性因子，B为波速，g为重力加速度，f为Darcy-Weisbach摩阻系数，M＝ρvA；

(b)波速可由状态方程计算得到：其中：ρ为气体密度、z为压缩性系数、R为气体常数、T为绝对温度；

(c)当通气洞断面中心连线沿+x方向升高时，θ取正值。

5.根据权利要求2所述的基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法，其特征在于：

所述假设具体为：

假定在每个计算时长Δt内，调压室内水体体积的变化量等于G断面气体体积的变化量。

6.根据权利要求2所述的基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法，其特征在于：

所述气液交界面耦合方程为：

和

式中：

R_S、K为中间变量，水头损失系数K＝Δt/(2F)，L为引水管道长度，F为调压室断面面积，R为管道水力半径，C为摩擦因子，ζ为局部回头损失系数，g为重力加速度；ρ为液体密度，ρ_气为气体密度；C_P，B₁，C_M，B₂为特征线解法中间变量；C_PP为气体管道G断面的中间变量；C_BB为参数；P为t时刻交界断面处的压强；P_-Δt为t-Δt时刻交界断面处的压强；Z_S0为t-Δt时刻调压室水位；Q_S0为t-Δt时刻调压室内的流量；H_P为t时刻P点的压力水头；Q_S为t时刻进出调压室内的流量。

7.根据权利要求1所述的基于气液交界面耦合的调压室通气洞风速模拟方法，其特征在于：

所述模拟程序的计算过程如下：

第1步：将引水隧洞和通气洞均划分为若干个计算子管段，同时形成计算断面，并选取计算时间步长；

第2步：计算引水隧洞内液体流量和压力水头、通气洞管道内部气体流量和压力；

第3步：计算上游边界结点流量和压力；

第4步：计算下游边界结点流量和压力；

第5步：在某一时刻每一网格结点上的变量值以及上、下游边界变量值计算已知后，再进行下一时刻变量的计算，并以此类推，计算至所需时长为止。