本发明实施例涉及水利工程技术领域，更具体地，涉及一种泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法和装置。
背景技术：
无压引水式水电站引水渠道末端和压力水管进口之间的连接建筑物，也称压力前池。在泵站引渠和前池的泥沙工程设计中，确定含沙动床面流速分布非常关键，是判断水流流态和含沙动床面附近悬移质泥沙含量的基础。
当前泵站设计中已经有工作估计含沙动床面流速分布，但主要集中于明渠恒定流动的对数分布律理论。它沿水面是单调递增的、无上界。它不包含相位差作用，即泥沙运动相对于水动力条件所需要的时间响应，这导致其无法体现基准面位置相对流速的相位漂移以及由相位残留作用产生的附加侵蚀深度。它不考虑动床面流速和切应力相对外边界层流速的相位超前，因而无法体现动床面流速分布在流动加速和减速阶段的非对称性。确定包含相位差和相位超前的往复流动条件下含沙动床面流速分布，是判断泵前水流流态和入泵的悬移质泥沙含量的重要依据。但到目前为止，工程上如何解析地给出往复流动条件下体现相位差和相位超前的含沙动床面的流速分布，尚未有可供借鉴的成果和方法。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法和装置。
第一方面，本发明实施例提供一种泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法，包括：
获取泵站引渠及前池水体的外边界层流速、流动周期，及泥沙粒径和泥沙与水密度的比值；
基于外边界层流速的最大值、流动周期、泥沙粒径和泥沙与水密度的比值，获取最大谢尔兹数和泥沙沉降速度，并获取含沙动床面流速断面的相位差和相位超前；
以所述外边界层流速为边界条件，基于含沙动床面流速断面的相位差和相位超前，进行含沙动床面的紊动边界层分析，确定受水流侵蚀的深度和往复流边界层厚度，进而得到含沙动床面流速分布。
第二方面，本发明实施例提供一种泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定装置，包括：
第一模块，用于获取泵站引渠及前池水体的外边界层流速、流动周期，及泥沙粒径和泥沙与水密度的比值；
第二模块，用于基于外边界层流速的最大值、流动周期、泥沙粒径，获取最大谢尔兹数和所述泥沙沉降速度，并获取含沙动床面流速断面的相位差和相位超前；
第三模块，用于以所述外边界层流速为边界条件，基于含沙动床面流速断面的相位差和相位超前，进行含沙动床面的紊动边界层分析，得到受水流侵蚀的深度和往复流边界层厚度，并得到含沙动床面流速分布。
本发明实施例提出了一种泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法和装置，通过测量获取往复流外边界层流速，流动周期，泥沙粒径，泥沙与水密度的比值，可得到含沙动床面摩擦因子，谢尔兹数和泥沙沉降速度；并进一步的获取体现含沙动床面流速断面的相位差和相位超前；通过确定相关相位差和相位超前，反应了流速分布受到相位差的影响，反应往复流动过程中流速分布的基准面位置相对流速的相位残留以及相位漂移，体现动床面流速分布在流动加速和减速阶段的非对称性，提高了动床面附近高含沙区域流速预测的能力并准确捕捉流速上界。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例的泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法示意图；
图2为根据本发明实施例的往复流作用下含沙床面流速分布示意图；
图3为根据本发明实施例的采用的往复流外边界层速度以及加速度过程示意图；
图4为根据本发明实施例的往复流作用下含沙动床面流速断面示意图；
图5为根据本发明实施例的流速断面与实测值和传统方法的比较示意图；
图6为根据本发明实施例的初始床面附近流速与实测值和传统方法的比较示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由于当前往复流动条件下含沙动床面流速分布的给定，主要集中于明渠恒定流动的对数分布律理论。它沿水面是单调递增的、无上界。它不包含相位差作用，即泥沙运动相对于水动力条件所需要的时间响应，这导致其无法体现基准面位置相对流速的相位漂移以及由相位残留作用产生的附加侵蚀深度。它不考虑动床面流速和切应力相对外边界层流速的相位超前，因而无法体现动床面流速分布在流动加速和减速阶段的非对称性。因此本发明各实施例针通过确定相关相位差和相位超前，可以反应往复流动过程中流速分布的基准面位置相对流速的相位残留以及相位漂移，体现动床面流速分布在流动加速和减速阶段的非对称性。以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。
图1为本发明实施例提供的一种泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法，包括：
s1、获取泵站引渠及前池水体的外边界层流速、流动周期，及泥沙粒径和泥沙与水密度的比值；
s2、基于外边界层流速的最大值、流动周期、泥沙粒径和泥沙与水密度的比值，获取最大谢尔兹数和所述泥沙沉降速度，并获取含沙动床面流速断面的相位差和相位超前；
s3、以所述外边界层流速为边界条件，基于含沙动床面流速断面的相位差和相位超前，进行含沙动床面的紊动边界层分析，确定受水流侵蚀的深度和往复流边界层厚度，进而得到含沙动床面流速分布。
在本实施例中，通过测量获取往复流外边界层流速，流动周期，泥沙粒径，泥沙与水密度的比值等数据，可得到含沙动床面摩擦因子，谢尔兹数和泥沙沉降速度；并进一步的得到体现含沙动床面流速断面的相位差和相位超前；通过确定相关相位差和相位超前，反应了流速分布受到相位差的影响，反应往复流动过程中流速分布的基准面位置相对流速的相位残留以及相位漂移，体现动床面流速分布在流动加速和减速阶段的非对称性，提高了动床面附近高含沙区域流速预测的能力并准确捕捉流速上界。
在上述实施例的基础上，获取泵站引渠及前池水体的外边界层流速，具体包括：
测得往复流动的上述外边界层流速，将上述外边界层流速以级数展开，如图2所示，得到在流动周期内的外边界层流速u(t)：
图2中，ub是横坐标，代表含沙动床面上的边界层流速，横坐标下方依次为扬沙层和饱和含沙层；y是沿水深的垂向坐标；δb是含沙动床面的往复流边界层厚度；u是外边界层周期性的流动速度；δ是含沙动床面受水流侵蚀的深度。
式(1)中，t为时间；k代表谐波的阶；n是谐波的阶数；wk是k阶谐波的振幅；ω是谐波的频率，取值2π/t，t为流动周期；φk是k阶谐波的迟角；t0是使u(0)＝0的参数。
在本实施例中，体现速度和加速度偏度的代表性往复流动外边界层流速u可以用级数展开如式(1)所示。由于u已知，此处n、wk、ω、t0、φk都是已知值。
在上述各实施例的基础上，获取泵站引渠及前池水体的最大谢尔兹数和颗粒泥沙沉降速度，具体包括：
测得泥沙与水密度的比值s和泥沙粒径d，获取往复流动含沙动床面摩擦因子f，并基于s、d、f和外边界层流速u得到谢尔兹数θ(t)：
基于泥沙粒径d和水的运动粘性系数v得到泥沙沉降速度w：
上式(2)～(4)中，um为外边界层最大流速；t为流动周期；θ是谢尔兹数；θm为最大谢尔兹数；g为重力加速度。
在上述各实施例的基础上，获取含沙动床面流速断面的相位差和相位超前，具体包括：
基于上述外边界层流速的最大值、流动周期、泥沙粒径、最大谢尔兹数和上述泥沙沉降速度，得到泥沙在输沙层内沉降时间与流动周期的比值ψ；其中ψ满足：
基于泥沙在输沙层内沉降时间与流动周期的比值得到泥沙运动对流速的相位漂移ψ；其中ψ满足：
基于泥沙在输沙层内沉降时间与流动周期的比值得到泥沙相位残留α，即流动转向时刻仍然在运动的泥沙量与最大挟沙量的比值；其中α满足：
α＝exp(-0.2/ψ)(7)
基于最大谢尔兹数，获取动床面流速和切应力相对外边界层流速的相位超前β。β在θm小于临界谢尔兹数时取值1，θm大于1时取值0.32，其余情况根据θm距1和临界谢尔兹数的距离在[0.32,1]线性插值。
在本实施例中，d为泥沙粒径；t为流动周期；θm是最大谢尔兹数；w是泥沙沉降速度；um是外边界层最大流速。
在本实施例中，为体现含沙动床面流速断面的相位差和相位超前，引入4个参数ψ、ψ、α和β。其中ψ是泥沙在输沙层内沉降时间与流动周期的比值；ψ是泥沙运动对流速的相位漂移；α代表泥沙相位的残留，即流动转向时刻仍然在运动的泥沙量与最大挟沙量的比值；β是动床面流速和切应力相对外边界层流速的相位超前。
在上述各实施例的基础上，进行含沙动床面的紊动边界层分析，具体包括：
获取含沙动床面受水流侵蚀的深度δ和含沙动床面的往复流边界层厚度δb；其中δ和δb满足：
式中，θcr是临界谢尔兹数；下标b代表边界层；下标m代表最大值；θm是最大谢尔兹数；w是泥沙沉降速度；um是外边界层最大流速。
在上述各实施例的基础上，上述含沙动床面流速分布为：
式中，下标b代表边界层；y是沿水深的垂向坐标，y＝0位于未受水流侵蚀的初始含沙床面；δ是含沙动床面受水流侵蚀的深度，δ落后于θ一个相位ψ；δb为含沙动床面的往复流边界层厚度；y的定义域是y≥-δ；y＝-δ即流速分布基准面位置。
具体的，在本实施例中，θcr是临界谢尔兹数，取值0.05；根据u、t、d、s、g、ν，由式(1)～(7)对应的步骤获取各参数的值；确定(8)～(9)，便可获得本发明实施例往复流驱动下含沙动床面的流速分布，如式(10)所示。
在本实施例中，为对上述方法进行验证，已知一个标准大气压、20℃水温。um＝1.5m/s、t＝5s、d＝2.7×10-4m，s＝2.65，g＝9.8m/s2，ν＝1.0×10-6m2/s，θcr取0.05。采用2阶stokes波流动过程为：
对应n＝2、wk＝1.2×0.25k-1m、ω＝0.4πs-1、t0＝-0.18s、φk＝-0.5(k-1)π，如图3所示，图3中，u是外边界层流速，du/dt是外边界层加速度，横坐标t/t是无量纲的时间。加速度为：
du(t)/dt＝-0.48πsin[2π(0.2t-0.214)]-0.24πsin[4π(0.2t-0.214)]。
(一)计算θ(t)、f，采用本发明上述各实施例提供的式(2)～(3)；
先假定θm<1，由式(3)得到f＝8.12×10-3；代入式(2)得到θm＝2.09>1。假定不成立，需将式(2)代入式(3)，得到：
从式(11)解得f＝1.1×10-2，代入式(2)得θ(t):
其中θm＝2.85>1。
(二)计算w和ψ，采用本发明上述各实施例提供的式(4)和式(5)。
将d、s、g和ν代入式(4)得w＝3.61×10-2m/s；将θm、d、um、t、w代入式(5)得ψ＝0.25。
(三)计算ψ和α，采用本发明实施例提供的式(6)～(7)。
将ψ和t代入式(6)得ψ＝0.20s；将ψ代入式(7)得α＝0.45。
(四)计算δ和δb，用式(8)-式(9)。
将上述各步骤中获得所有参数w、ψ、α和θm、um、t、d代入式(8)-(9)得到：
δ(t)＝[15.36 6.97θ(t-0.20)]×10-4(13)
δb(t)＝0.032×max0.18(1,θ)(14)
(五)用式(10)计算往复流动条件下含沙动床面流速分布ub。
由于θm＝2.85>1，将β＝0.32和u的各参数代入式(10)得：
其中，y≥-δ。将式(12)的θ(t)代入式(13)～(14)，然后将δ和δb代入式(15)即得到图4～图6本发明实施例的结果。
作为对比，本发明实施例将不含相位差和相位超前的传统对数律结果列于图5～图6。由于传统对数率公式沿水面单调递增，无上界而在外边界层失效，此处仅展示边界层内的结果(约y<0.04m)。
图4中，横坐标ub/um是无量纲的边界层流速，y是沿水深的垂向坐标。实线是加速阶段流速(t/t＝0.08、0.55)，点划线是减速阶段流速(t/t＝0.35、0.88)，断续线是流动转向时刻附近流速(t/t＝0.00、0.43)，虚线是波峰和波谷时刻流速(t/t＝0.21、0.71)。
图5中，横坐标ub/um是无量纲的边界层流速，y是沿水深的垂向坐标。黑点代表实测值，实线代表本发明实施例，点划线代表不含相位差和相位超前的传统对数律结果。各子图所处的时刻对应图3-(1)t/t＝0.00；(2)t/t＝0.08；(3)t/t＝0.21；(4)t/t＝0.35；(5)t/t＝0.43；(6)t/t＝0.88。
图6中，纵坐标ub/um是无量纲的边界层流速，横坐标t/t是无量纲的时间。黑点代表实测值，实线代表本发明实施例，点划线代表不含相位差和相位超前的传统对数律结果。各子图所处位置对应于图4～5中的(1)y＝-2mm；(2)y＝0mm；(3)y＝5mm。
在本实施例中，上述方法反应了流速分布受到相位差的影响。相位残留使流动转向(t/t＝0、0.43)附近初始床面(y＝0)及以下仍然有泥沙运动，侵蚀深度即流速分布基准面位置低于初始床面(y＝-δ<0)。本发明实施例图4的两条断续线、图5-(1)、图5-(5)和图6-(2)的实线非常好地体现了这种特性。图5-(1)、图5-(5)和图6-(2)的点划线代表传统方法在初始床面的失效：无法判断在流动转向附近(t/t＝0、0.43)泥沙运动。
在本实施例中，上述方法提高了床面附近高含沙区域流速预测的能力并准确捕捉流速上界。初始床面附近属于扬沙层(图2)，是泥沙起悬和沉降的重要区域，含沙量高。对数率公式的特点是在该区域增加过快，容易造成对实际流速的过高估计，如图6-(1)和图6-(2)的点划线在波峰附近(t/t＝0.21)严重高估流速。另外对数率公式的增长无上界，如图5-(2)～5-(6)点划线往水面无限增长；而实际的往复流边界层流速上界是外边界层流速u，即式(10)的极限：
图5-(2)～5-(6)实线代表的本发明实施例很好地体现了这个特征。
在本实施例中，上述方法体现往复流动流速分布在加速和减速阶段的非对称性。由于近底流速相位超前，正向加速阶段(t/t＝0.00～0.21)流速大于u相同时的减速阶段(t/t＝0.21～0.42)；负向加速阶段(t/t＝0.42～0.71)流速大于u相同时的减速阶段(t/t＝0.71～1.00)。如图4实线的流动强度大于对应的点划线；图5-(2)点和实线代表的流动强度大于图5-(4)；图6-(2)～6-(3)点和实线代表的加速阶段与减速阶段流动不对称。实测值和本发明均能很好地体现非对称特征，而点划线代表的传统方法不能体现非对称性。流速分布的非对称性会导致净输沙，这也导致传统方法无法确定这种净输沙。
本实施例中示出了一种泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定装置，基于上述各实施例中的泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法，包括第一模块、第二模块和第三模块，其中：
第一模块40获取泵站引渠及前池水体的外边界层流速、流动周期、泥沙粒径和泥沙与水密度的比值；
第二模块50基于外边界层流速的最大值、流动周期、泥沙粒径，获取最大谢尔兹数和所述泥沙沉降速度，并获取含沙动床面流速断面的相位差和相位超前；
第三模块60以所述外边界层流速为边界条件，基于含沙动床面流速断面的相位差和相位超前，进行含沙动床面的紊动边界层分析，得到受水流侵蚀的深度和往复流边界层厚度，并得到含沙动床面流速分布。
综上所述，本发明实施例提供的一种泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法和装置，通过测量获取往复流外边界层流速，流动周期，泥沙粒径，泥沙与水密度的比值，可得到含沙动床面摩擦因子，谢尔兹数和泥沙沉降速度；并进一步的获取体现含沙动床面流速断面的相位差和相位超前；通过确定相关相位差和相位超前，反应了流速分布受到相位差的影响，反应往复流动过程中流速分布的基准面位置相对流速的相位残留以及相位漂移，体现动床面流速分布在流动加速和减速阶段的非对称性，提高了动床面附近高含沙区域流速预测的能力并准确捕捉流速上界。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
1.一种泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法，其特征在于，包括：
获取泵站引渠及前池水体的外边界层流速、流动周期，及泥沙粒径和泥沙与水密度的比值；
基于外边界层流速的最大值、流动周期、泥沙粒径和泥沙与水密度的比值，得到最大谢尔兹数和泥沙沉降速度，并获取含沙动床面流速断面的相位差和相位超前；
以所述外边界层流速为边界条件，基于含沙动床面流速断面的相位差和相位超前，进行含沙动床面的紊动边界层分析，确定受水流侵蚀的深度和往复流边界层厚度，进而得到含沙动床面流速分布。
2.根据权利要求1所述的泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法，其特征在于，获取泵站引渠及前池水体的外边界层流速，具体包括：
测得往复流动的所述外边界层流速，将所述外边界层流速以级数展开，得到在流动周期内的外边界层流速u(t)：
式中，t为时间；k代表谐波的阶；n是谐波的阶数；wk是k阶谐波的振幅；ω是谐波的频率，取值2π/t，t为流动周期；φk是k阶谐波的迟角；t0是使u(0)＝0的参数。
3.根据权利要求2所述的泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法，其特征在于，获取泵站引渠及前池水体的最大谢尔兹数和泥沙沉降速度，具体包括：
测得泥沙与水密度的比值s、泥沙粒径d，得到往复流动含沙动床面摩擦因子f，并基于外边界层流速u得到谢尔兹数θ(t)；
基于泥沙粒径d和水的运动粘性系数v得到泥沙沉降速度w。
4.根据权利要求3所述的泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法，其特征在于，获取含沙动床面流速断面的相位差和相位超前，具体包括：
基于所述外边界层流速的最大值、流动周期、泥沙粒径、最大谢尔兹数和泥沙沉降速度，得到泥沙在输沙层内沉降时间与流动周期的比值ψ；
基于泥沙在输沙层内沉降时间与流动周期的比值得到泥沙相位残留α；
基于泥沙在输沙层内沉降时间与流动周期的比值得到泥沙运动对流速的相位漂移ψ；
基于最大谢尔兹数θm，获取动床面流速和切应力相对外边界层流速的相位超前β。
5.根据权利要求4所述的泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法，其特征在于，所述β在θm小于临界谢尔兹数时取值1，θm大于1时取值0.32，其余情况根据θm距1和临界谢尔兹数的距离在[0.32,1]线性插值。
6.根据权利要求4所述的泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法，其特征在于，进行含沙动床面的紊动边界层分析，具体包括：
获取含沙动床面受水流侵蚀的深度δ和含沙动床面的往复流边界层厚度δb；其中δ和δb满足：
式中，θcr是临界谢尔兹数；下标b代表边界层；下标m代表最大值；θm是最大谢尔兹数；w是泥沙沉降速度；um是外边界层最大流速。
7.根据权利要求6所述的泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法，其特征在于，所述含沙动床面流速分布为：
式中，下标b代表边界层；y是沿水深的垂向坐标，y＝0位于未受水流侵蚀的初始含沙床面；δ是含沙动床面受水流侵蚀的深度，δ落后于θ一个相位ψ；δb为含沙动床面的往复流边界层厚度；y的定义域是y≥-δ；y＝-δ即流速分布基准面位置。
8.一种泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定装置，其特征在于，包括：
第一模块，用于获取泵站引渠及前池水体的外边界层流速、流动周期，及泥沙粒径和泥沙与水密度的比值；
第二模块，用于基于外边界层流速的最大值、流动周期、泥沙粒径，获取最大谢尔兹数和泥沙沉降速度，并获取含沙动床面流速断面的相位差和相位超前；
第三模块，用于以所述外边界层流速为边界条件，基于含沙动床面流速断面的相位差和相位超前，进行含沙动床面的紊动边界层分析，得到受水流侵蚀的深度和往复流边界层厚度，并得到含沙动床面流速分布。
技术总结