用于泵站三维流场计算的网格划分方法及装置

摘要

本发明提供一种用于泵站三维流场计算的网格划分方法及装置，所述方法包括：确定域结构体的分块，通过对进水系统进行三维实体的分块切割，获取有利于高质量网格生成的拓扑结构；获取泵站进水系统参数，根据所述参数确定前池和进水池全局单元最大尺寸以及进水管路全局单元最大尺寸，得到有利于边界层加密的初步网格方案；对近壁区的网格进行处理，确定第一层网格高度，通过控制第一层网格高度，加密边界层使得第一层网格节点落在流动的对数律层。本发明的方法及装置能够得到高质量和高精度的网格方案，从而提高泵站三维流动计算的收敛速度和计算精度。

说明书

技术领域

本发明属于泵站工程领域，尤其涉及一种用于泵站三维流场计算 的网格划分方法及装置。

背景技术

泵站三维流场计算是指对泵站前池、进水池和吸水喇叭管的流体 动力学分析。其中，高质量的离散网格是保证计算精度重要条件。而 网格生成占数值模拟计算工作量的70％以上，如何获得质量高、占用 内存少的网格，是泵站流场计算的关键问题。

目前，网格主要分为结构化网格和非结构网格。结构网格具有很 多的优点，它可以很容易地实现区域的边界拟合，适于流体和表面应 力集中等方面的计算,其网格生成的速度快，网格生成的质量好，数据 结构简单，对曲面或空间的拟合大多数采用参数化或样条插值的方法 得到，区域光滑，与实际的模型更容易接近。结构网格的单元/节点大 致为1:1，非结构网格的单元/节点大致为5:1，所以可以看出对于相同 全局单元最大尺寸的非结构化网格和结构化网格，结构化网格占用的 内存要大大减小。

然而，对于泵站工程，前池、进水池和吸水喇叭管结构较为复 杂，如何生成网格、网格尺度如何分布、网格质量如何控制等一系列 问题，是困扰泵站流场计算的难题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种用于泵站三维流场计算的 网格划分方法，可以提高泵站三维流场数值计算收敛速度和计算精度。

第一方面，本发明提供一种用于泵站三维流场计算的网格划分方 法，包括：

对计算域结构体进行分割，得到分割后的块结构体，所述计算域 结构体为泵站进水系统，所述泵站进水系统包括前池、进水池、吸水 喇叭管和进水管路；

获取所述泵站进水系统的参数，根据所述泵站进水系统的参数确 定网格全局单元最大尺寸；

根据所述网格全局单元最大尺寸对所述泵站进水系统进行网格划 分；

在所述网格划分完成之后，获取所述块结构体的近壁区参数，根 据所述块结构体的近壁区参数确定第一层网格高度；

根据所述第一层网格高度加密所述分割后的块结构体的近壁区网 格边界层。

优选地，所述对计算域结构体进行分割，得到分割后的块结构体， 包括：

按照水流顺流方向对所述泵站进水系统的前池和进水池进行分 割，将所述前池和进水池分割成三段；

按照垂直于水流顺流方向对所述进水池进行分割，将所述进水池 分割成n段，n为与所述进水池的进水管路连接的水泵个数；

对所述前池和进水池内的隔墩部分进行双M分割，对所述进水池 内的吸水喇叭管主体部分进行分层分割，对所述进水池吸水喇叭管的 周边进行四周双T型分割；

获取所述前池、进水池、隔墩部分、吸水喇叭管主体部分以及吸 水喇叭管的周边分割后的结构体。

优选地，所述网格全局单元最大尺寸包括所述泵站进水系统中的 前池和进水池全局单元最大尺寸以及进水管路全局单元最大尺寸；

相应地，所述获取所述泵站进水系统参数，根据所述参数确定网 格全局单元最大尺寸，包括：

根据公式一确定所述前池和进水池全局单元最大尺寸：

$f_1=\frac{\pi }{60}\frac{H_{\min }{B}_{\min }\mathrm{LN}}{H_{\max }{B}_{\max }M}\alpha ·i$   公式一

其中：f₁为前池和进水池全局单元最大尺寸，H_min为前池和进水池 的最小水深，H_max为前池和进水池的最大水深，B_min为前池和进水池的 最小宽度，B_max为前池和进水池的最大宽度，L为进水池的长度，M为 斜坡的长度，N为扩散段的长度，i为坡度，α为扩散段的扩散角；

根据公式二确定所述进水管路全局单元最大尺寸：

f₂＝Kf₁     公式二

其中，f₂为进水管路全局单元最大尺寸，K为修正系数，f₁为前池 和进水池全局单元最大尺寸。

优选地，所述对所述前池和进水池内的隔墩部分进行双M切割， 包括：

在所述隔墩前部靠近所述前池的进口的部位，添加与隔墩两侧边 壁距离大致相等的a、b上下两条辅助线，并在所述辅助线位置切割；

以吸水喇叭口底面作为切割参照，在平行于所述前池长度方向上 切割所述隔墩部分；

删除位于隔墩实体处的块结构体；

根据映射关系，对所述隔墩部分节点、线进行映射，获取双M切 割后的块结构体。

优选地，所述对所述进水池内的吸水喇叭管主体部分进行分层分 割，对所述进水池吸水喇叭管的周边进行四周双T型分割，包括：

以吸水喇叭口底面做为切割参照，在垂直于所述水流顺流方向上 分层切割所述吸水喇叭管；

删除位于所述吸水喇叭管实体处的块结构体，并对所述吸水喇叭 口底面悬空高段执行内o-block，所述吸水喇叭口底面上两段执行外 o-block；

根据映射关系，对所述喇叭管部位节点、线进行映射，获取四周 双T型切割后的块结构体。

优选地，所述块结构体的近壁区参数包括：边坡系数、运动粘度、 水流速度以及当前块结构体的最长尺度。

优选地，所述根据所述块结构体的近壁区参数确定第一层网格高 度，包括：

根据公式三确定第一层网格高度：

ΔY＝2.5mν^0.9341u^-0.9341L^0.0659×10³      公式三

其中，m为边坡系数，ν为运动粘度，u为水流速度，L为当前块 结构体的最长尺度，ΔY为第一层网格高度。

第二方面，本发明提供一种用于泵站三维流场计算的网格划分装 置，包括：

分割单元，用于对计算域结构体进行分割，得到分割后的块结构 体，所述计算域结构体为泵站进水系统，所述泵站进水系统包括前池、 进水池、吸水喇叭管和进水管路；

获取单元，用于获取所述泵站进水系统的参数和所述块结构体的 近壁区参数；

确定单元，用于根据所述泵站进水系统的参数确定网格全局单元 最大尺寸，还用于根据所述块结构体近壁区参数确定第一层网格高度；

划分单元，用于根据所述网格全局单元最大尺寸对所述泵站进水 系统进行网格划分；

加密单元，用于在所述网格划分完成之后，根据所述第一次层网 格高度加密所述分割后的块结构体的近壁区网格边界层。

优选地，所述网格全局单元最大尺寸包括所述泵站进水系统中的 前池和进水池全局单元最大尺寸以及进水管路全局单元最大尺寸。

本发明通过计算域结构的分块，网格全局单元最大尺寸控制和第 一层网格高度确定，可保证得到满足网格无关性并符合壁面函数法要 求的高质量网格方案，使泵站流场计算收敛速度快，计算精度高。

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简单地介绍，显而 易见地，下面描述中的附图仅仅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1a为本发明实施例适用的泵站进水系统的俯视图；

图1b为本发明实施例适用的泵站进水系统的主视图；

图1c为本发明实施例适用的泵站进水系统的左视图；

图2为本发明实施例提供的用于泵站三维流场计算的网格划分方 法的流程示意图；

图3示出了本发明实施例提供的用于泵站三维流场计算的网格划 分方法的部分流程示意图；

图4为图2中隔墩辅助线处的切割示意图；

图5为图2中前池和进水池隔墩部位的双M切割示意图；

图6为图2中进水池吸水喇叭管部位的分层切割示意图；

图7为图2中进水池吸水喇叭管四周双T形切割示意图；

图8为图2中初步网格方案示意图；

图9为图2中需加密的块结构示意图；

图10为图2中吸水喇叭口边界层加密示意图；

图11为图2中最终网格方案示意图；

图12为图2中的Y⁺云图；

图13为本发明实施例提供的用于泵站三维流场计算的网格划分装 置的结构示意图。

具体实施方式

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 案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 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。

目前，在采用湍流模型并结合壁面函数法对泵站流场进行数值模 拟时，对于近壁区网格是严格要求的，即第一层网格节点必须处于对 数律层，即无量纲Y⁺在30～500之间。若Y⁺不符合壁面函数法的要求， 将会导致模拟结果的失真。目前虽然有用于计算Y⁺的理论公式，但公 式中涉及雷诺数Re、壁面摩擦力C_f、壁面摩擦速度τ_w等参数，而Re 是一个非稳定的值，C_f和τ_w等参数在流场计算前并不存在。因此，泵 站流场计算的另一个难题是无法在流场计算之前就生成满足Y⁺要求的 近壁区网格。

图1a示出了本发明适用的泵站进水系统的俯视图，图1b示出了 本发明适用的泵站进水系统的主视图，图1c示出了本发明适用的泵站 进水系统的左视图，如图1a、图1b和图1c所示，泵站进水系统包括： 前池1、进水池2、吸水喇叭管3、进水管路4和隔墩5，其中，吸水 喇叭管3的下端部设置有吸水喇叭管底面6，进水池2上连接有多个水 泵，每个水泵与对应的进水管路4连接。

图2示出了本发明实施例提供的用于泵站三维流场计算的网格划 分方法的流程示意图，如图2所示，本实施例的用于泵站三维流场计 算的网格划分方法如下所述。

201、对计算域结构体进行分割，获取分割后的块结构体，所述计 算域结构体为泵站进水系统，所述泵站进水系统包括前池、进水池、 吸水喇叭管和进水管路。

本实施例适用于两侧边壁是垂直的(边坡系数m＝1)或倾斜的(m ≠1)的泵站给水系统。本实施例中，前池1两侧边壁是倾斜的，因此 在对计算域分块时，要合理安排块划分的方向和顺序，以得到符合结 构特点和尽量平直的块结构。

202、获取所述泵站进水系统的参数，根据所述参数确定网格全局 单元最大尺寸。

举例来说，网格全局单元最大尺寸包括前池、进水池网格划分的 全局单元最大尺寸以及进水管路网格划分的全局单元最大尺寸。

203、根据所述网格全局单元最大尺寸对所述泵站进水系统进行网 格划分。

204、在所述网格划分完成之后，根据所述参数确定近壁区第一层 网格高度。

205、根据所述第一层网格高度加密所述分割后的块结构体的近壁 区网格。

对于有固体壁面的充分发展的湍流流动，沿壁面法线的不同距离 上可将流动划分为近壁区和核心区。在所述近壁区，流体流动受壁面 流动条件的影响比较明显。所述近壁区又可分为粘性底层、过渡层和 对数律层。

本实施例中，对于初步的网格方案，为了满足壁面函数法的要求， 需要对近壁区的网格进行处理加密，对于本实施例划分的块结构，由 于块之间关联性，本实施例只对其中几部分的壁面进行加密。

图3示出了本发明实施例提供的用于泵站三维流场计算的网格划 分方法的部分流程示意图，具体地，图3示出了图2中步骤201的流 程示意图，如图3所示，步骤201中对计算域结构体进行分割，获取 分割后的块结构体的方法如下所述。

2011、按照水流顺流方向(如图1a箭头所示)对所述泵站进水系 统的前池和进水池进行分割，将所述前池和进水池分割成三段，所述 所述泵站进水系统包括前池、进水池、吸水喇叭管和进水管路。

2012、按照垂直于水流顺流方向对所述进水池进行分割，将所述 进水池分割成n段，n为与所述进水池的管路连接的水泵个数。

应说的是，水泵个数为3个，但不限定于3个，这决定于泵站的 实际情况。

本实施例中，将前池和进水池沿水流顺流方向进行三段式分割， 然后再沿平行于流动方向进行三段式分割，最后进行进水池两侧节点 的映射，使得进水部分的块结构与几何体的结构特征一致，且不影响 后面隔墩形状的切割。

本实施例中，根据网格划分软件中预设的映射关系进行映射，建 立映射关系从而建立起几何体与块结构体之间的对应关系，给定网格 计算的边界条件，生成高质量的网格。

2013、对所述前池和进水池内的隔墩部分进行双M分割，对所述 进水池内的吸水喇叭管主体部分进行分层分割，对所述进水池吸水喇 叭管的周边进行四周双T型分割。

2014、获取所述前池、进水池、隔墩部分、吸水喇叭管主体部分 以及吸水喇叭管的周边分割后的结构体。

本实施例通过计算域结构的分块，网格全局单元最大尺寸控制和 第一层网格高度确定，可保证得到满足网格无关性并符合壁面函数法 要求的高质量网格方案，使泵站流场计算收敛速度快，计算精度高。 所述第一层网格高度是指固体壁面与固体壁面相邻第一个节点之间的 距离。

举例来说，在步骤2013中，如图4所示，可以在在隔墩头部靠近 前池进口的部位，添加a、b上下两条辅助线，辅助线距离隔墩头部的 距离要与隔墩两侧边璧的距离大致相等，这样可避免角度偏小的锐角 从而提高网格的质量，然后在辅助线位置沿垂直于长度方向上进行切 割，如图5所示，在完成沿垂直于长度方向上的切割后，以吸水喇叭 口底面作为切割参照进行平行于长度方向上切割，删除位于隔墩实体 处的块，然后对相应的节点、线进行映射，可得到如图5所示的双M 切割。

应说明的是，由于进水池中吸水喇叭管的直径是渐变的，且距离 进水池底还有一段距离，这段距离等于悬空高，因此，需要对进水池 进行分层切割，分层的位置需视吸水喇叭管的空间位置而定。

本实施例中分层的位置在吸水喇叭口底面和渐变位置处，最终分 层切割结果如图6所示。

在具体应用中，如图7所示，由于进水池中的喇叭管需要和水泵 进水管路相连，因此需要将进水池中吸水喇叭管所占的空间几何体挖 空，根据该特点，为了获得质量较高的六面体结构网格，可在吸水喇 叭管处创建一个外o-block，偏移距为0.5，在悬空高段(如图1b中D1 所示)创建一个内o-block，得到形如四周双T形的块结构体。所述 o-block是指通过创建的一系列的块结构体，这些块结构体内部的边线 排列成O型或相似形状。

在步骤202中，根据公式一确定所述前池和进水池全局单元最大 尺寸：

$f_1=\frac{\pi }{60}\frac{H_{\min }{B}_{\min }\mathrm{LN}}{H_{\max }{B}_{\max }M}\alpha ·i$          公式一

其中：f₁为前池和进水池全局单元最大尺寸，H_min为前池和进水池 的最小水深，H_max为前池和进水池的最大水深，B_min为前池和进水池的 最小宽度，B_max为前池和进水池的最大宽度，L为进水池的长度，M为 斜坡的长度，N为扩散段的长度，i为坡度，α为扩散段的扩散角。

根据公式二确定所述进水管路全局单元最大尺寸：

f₂＝Kf₁      公式二

其中，f₂为进水管路全局单元最大尺寸，K为修正系数，f₁为前池 和进水池全局单元最大尺寸。

本实施例中，K为修正系数，K＝1/2～2/3，当V_管>1m/s，K取小 值，反之则取大值，本实施例中，根据测量，可得到前池、进水池网 格划分的全局单元最大尺寸f₁＝0.160m，吸水喇叭管的流速为1.02m/s 时，K可取较大值，K＝0.625，可得到管路网格划分的全局单元最大尺 寸f₂＝0.100m，然后划分网格可得到如图8所示的网格初步方案。

进一步地，所述步骤204具体包括图中未示出的：

204、获取块结构体近壁区参数，根据所述近壁区参数确定近壁区 第一层网格高度，所述近壁区参数包括：边坡系数、运动粘度、水流 速度以及当前块结构体的最长尺度。

本实施例中，对于初步的网格方案，为了满足壁面函数法的要求， 需要对近壁区的网格进行处理，具体地，根据公式三确定近壁区第一 层网格高度：

ΔY＝2.5mν^0.9341u^-0.9341L^0.0659×10³       公式三

其中，m为边坡系数，ν为运动粘度，u为水流速度，L为当前块 结构体的最长尺度，ΔY为近壁区第一层网格高度。

举例来说，当L＝πD时，m＝1，本实施例中ν＝1.01×10^-6m²/s，对于 吸水喇叭管L＝πD，m。

如图9所示，对于本实施例前池和进水池划分的块结构，由于块 之间关联性，只需对其中几部分的壁面进行加密即可，其中第①部分 ΔY＝0.006m，第②部分ΔY＝0.014m，第③部分ΔY＝0.006m，第四部分 ΔY＝0.046m。对于本实施例的进水管路ΔY＝0.006m。

205、根据所述第一层网格高度，加密所述泵站进水系统近壁区边 界层网格。

在具体应用中，在整体网格划分完之后，进行边界层网格的加密。 在此以吸水喇叭管为例，分别调节吸水喇叭管外部、内部和上部、下 部节点与吸水喇叭管壁之间的距离，使得他们第一个节点距离管壁的 长度为ΔY，如图10所示。调节节点时，首先可根据块结构的边长确 定网格的节点个数，一般情况下满足网格无关性要求之后的网格节点 不需再做改动，但可调节部分与周围网格单元大小相差较大的节点。 然后通过设置边长两端的网格高度ΔY和网格增长率，在本实施例中网 格增长率为1.1，一般保证网格增长率在1.05～1.2之间，当达不到要求 时可增加部分节点。最终的网格方案如图11所示。

确定最终网格方案后经过CFD(Computational Fluid Dynamics，计 算流体动力学)计算，其进水部分的Y⁺云图如图12所示，从图中可以 看出前池、进水池和吸水喇叭管的Y⁺都在30～500之间，因此可以认 为该网格划分的最终方案满足网格无关性和壁面函数法的要求，具有 高质量和高精度的优点。

图13示出了本发明实施例提供的用于泵站三维流场计算的网格划 分装置的结构示意图，如图13所示，所述装置包括：分割单元131、 获取单元132、确定单元133、划分单元134和加密单元135；

其中，分割单元131用于对计算域结构体进行分割，得到分割后 的块结构体，所述计算域结构体为泵站进水系统；所述泵站进水系统 包括前池、进水池、吸水喇叭管和进水管路；

获取单元132用于获取所述泵站进水系统的参数和所述块结构体 的近壁区参数；

确定单元133用于根据所述泵站进水系统的参数确定网格全局单 元最大尺寸，还用于根据所述块结构体近壁区参数确定第一层网格高 度；

划分单元134用于根据所述网格全局单元最大尺寸对所述泵站进 水系统进行网格划分；

加密单元135用于在所述网格划分完成之后，根据所述第一次层 网格高度加密所述分割后的块结构体的近壁区网格边界层。

在另一种实施方式中，所述确定单元133还用于确定所述前池和进 水池全局单元最大尺寸以及所述管路全局单元最大尺寸。

本实施例的用于泵站三维流场计算的网格划分装置可执行前述图 2至图3所示的全部流程，此处不再详述。

本实施例通过计算域结构的分块，网格全局单元最大尺寸控制和 第一层网格高度确定，可保证得到满足网格无关性并符合壁面函数法 要求的高质量网格方案，使泵站流场计算收敛速度快，计算精度高。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不 脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于 本发明权利要求以及等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些 改动和变型在内。