一种基于CFD仿真的室内激流救援训练场地设计方法与流程

一种基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法
技术领域
1.本发明涉及水域救援技术领域，具体而言，涉及一种基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法。


背景技术：

2.激流水域环境恶劣、水情复杂，具有水体浑浊、水温较低、流速较快等特点，其典型的水域环境包括v流、倒v流、微笑流、漩涡流、覆盖流、皱眉流。
3.水域救援特别是激流救援难度大、作业环境危险，是综合救援任务中的短板，因此需要对专业人员进行规范化训练。目前的激流救援实训大多数在自然水域(江、河)开展，危险性高且受自然地理条件的限制较大。
4.中国实用新型专利cn215562303u公开了一种水域救援综合训练基地，但对不同水域环境的还原性需要进一步验证。中国发明专利cn115909837a公开了激流水道水力设计方法及水域救援综合训练基地，但仅针对水力参数计算与设计，从理论角度阐明了设计方法，难以体现实际应用价值。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法以及一种激流救援训练场地，用以解决上述现有技术存在的技术问题。
6.为达到上述目的，本发明提供了一种基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法，其包括：
7.s1：根据每一类型激流水域环境的水流形态的特点，利用障碍物组合方式或改变河道轮廓方式，对每一类型激流水域环境的实现形式进行初步设计；
8.s2：根据初步设计，对每一类型激流水域环境分别进行二维数值模拟及优化，得到多个激流水域环境二维模拟结果；
9.s3：设计河道整体轮廓并组合所有类型的激流水域环境，从而得到整个激流河道的轮廓与内部障碍物布置形式，设计水池与泵房位置，二者与激流河道相连，得到整个激流训练区域的样式，对整个激流训练区域进行二维数值模拟及设计优化，得到激流训练区域二维模拟及设计结果；
10.s4：根据激流训练区域二维模拟及设计结果，对激流训练区域进行三维数值模拟及设计优化，得到激流训练区域三维模拟结果；
11.s5：根据实际训练时的需求，在激流训练区设置监测设备、爬梯等设施，从而确定室内激流救援训练场地的设计结果。
12.在本发明的一实施例中，激流水域环境包括v流、倒v流、微笑流、漩涡流、覆盖流以及皱眉流。
13.在本发明的一实施例中，各激流水域环境类型实现方式如下，其中，v流包括以下第一v流和第二v流，皱眉流包括第一皱眉流和第二皱眉流，
14.第一v流：由3组长方体障碍物组成，呈形排列；
15.第二v流：由2组长方体障碍物组成，呈v字排列，尖端朝上游，夹角宜为55
°
～75
°
；
16.倒v流：由2组长方体障碍物组成，对称布置，与顺流方向夹角宜为30
°
～45
°
；
17.微笑流：由1组圆柱体障碍物组成，其直径宜为河道宽度的20％～25％，障碍物正后方为回流区；
18.漩涡流：通过河道轮廓转折或向外侧凸起实现；
19.覆盖流：通过河道轮廓的渐缩实现，渐缩角宜为35
°
～55
°
，河道收窄后的宽度宜为原来的60％～70％；
20.第一皱眉流：由1组长方体障碍物组成，与顺流方向夹角宜为35
°
～45；
21.第二皱眉流：通过河道轮廓转折实现，转折前河道宽度宜小于转折后河道宽度。
22.在本发明的一实施例中，步骤s2利用以下子步骤得到每一类激流水域环境二维模拟结果：
23.s21：利用spaceclaim软件，在二维平面创建与激流水域环境对应的简化模型以及命名进、出口及壁面边界；
24.s22：对简化模型划分二维网格，在进出口及障碍物壁面进行尺寸加密；
25.s23：利用fluent软件计算求解：以水为流体材料，剪切应力输运k-omega为粘性模型，定义以下边界条件：入口速度值、压力出口以及壁面粗糙高度，以压力速度耦合方法进行瞬态求解计算；
26.s24：利用cfd-post软件处理计算结果，绘制流速矢量图，分析二维速度场分布；
27.s25：判断是否满足该水域环境的水流形态特征，若不满足，优化二维模型设计，重复步骤s21～s24。
28.在本发明的一实施例中，步骤s22中，对简化模型划分二维网格是利用mesh工具、gambit或icem软件。
29.在本发明的一实施例中，步骤s23中，壁面粗糙高度根据实际激流河道固体材料设置。
30.在本发明的一实施例中，步骤s3包括以下子步骤：
31.s31：利用spaceclaim软件，在二维平面创建与激流训练区域模型以及命名进、出口及壁面边界；
32.s32：对简化模型划分二维网格，在进出口及障碍物壁面进行尺寸加密；
33.s33：利用fluent软件计算求解：以水为流体材料，剪切应力输运k-omega为粘性模型，定义以下边界条件：入口速度值、压力出口以及壁面粗糙高度，以压力速度耦合方法进行瞬态求解计算；
34.s34：利用cfd-post软件处理计算结果，绘制流速矢量图，分析二维速度场分布；
35.s35：判断激流训练区域整体及内部局部水域的水流形态、方向、流速相对大小是否符合训练要求。
36.在本发明的一实施例中，步骤s35中，若激流训练区域中某一处水域环境的水流形态、方向不符合实际训练要求，则按以下方式进行优化调整：
37.①
调整该处水域环境的障碍物尺寸、组合形式；
38.②
重新考虑该处上游水域环境类型；
39.③
在该处附近上游处布置障碍物作为导水构件；
40.步骤s35中，若激流训练区域中某一处水域环境的流速相对大小不符合实际训练要求，则按以下方式进行优化调整：
41.①
将该处附近上游河道缩窄；
42.②
在该处附近上游河道两侧布置障碍物缩窄河道；
43.按照以上方式进行优化调整，直至整个激流训练区域二维速度场分布符合每一类激流水域环境特征与实际训练要求。
44.在本发明的一实施例中，步骤s4包括如下子步骤：
45.s41：在激流训练区域二维数值模拟结果的基础上，在spaceclaim软件中创建三维流体域模型，三维流体域分为水体部分与空气体部分，水体部分高度为设计水深，水体上方为空气体部分，水体部分与空气体部分的交界面为内部面，潜水泵井筒出口为水体入口面，潜水泵井筒入口为水体出口面，其余面为水体壁面，空气体与外界空气接触面为出口面，与固体接触面为壁面，水体与空气体共享拓扑；
46.s42：利用fluent meshing工具、gambit或icem软件，对流体域划分多面体网格，并将整体网格平移至坐标原点；
47.s43：利用fluent软件计算求解，以水与空气为流体材料，vof为多相流模型、sst k-omega为粘性模型，定义边界条件如下：入口速度v大于0.8m/s，水的体积分数为1，水体出口为质量流出口，质量通量q(kg/(m2
·
s))计算式：q＝v
×
ρ
水
，ρ
水
为水的密度，空气体出口类型为压力出口，壁面粗糙高度根据实际激流河道固体材料设置，采用压力速度耦合方法piso，初始化流场各物理参数、并对水体的水体积分数进行局部初始化后，初始化方式为：先令整个流体各物理参数的初始值为0进行标准初始化，再令水体的水体积分数为1进行局部初始化，在重力作用下，进行瞬态计算；
48.s44：利用cfd-post软件处理计算结果；
49.s45：重复步骤s41～s44，直至激流训练区域的三维流场分布符合每一类激流水域环境特征与训练要求。
50.在本发明的一实施例中，步骤s44包括如下子步骤：
51.s441：做出模拟水体部分流速矢量图，分析其三维速度场分布，具体方式是插入isovolume，boundary data值为1，判断激流区域整体及不同水域环境的水流形态、方向、流速是否符合激流水域环境特征与训练要求，若不符合要求，则进行优化调整。
52.本发明还提供了一种激流救援训练场地，其包括水泵房、激流河道、岸上区域以及水池，激流训练区域采用上述基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法进行设计，水泵房内设有多个水泵，激流训练区域包括v流训练区、倒v流训练区、微笑流训练区、漩涡流训练区以及覆盖流训练区，激流训练区域中还设有浮球液位计、静压液位计以及明渠流速流量计，
53.浮球液位计设于水泵吸入口、泵房内水流出口以及水池，
54.静压液位计设于水泵房内、激流河道不同水域环境处，静压液位计实时监测水泵房与激流河道水位，防止水泵入口水位过低引起吸空，保证激流河道水流达到所需水位，
55.明渠流速流量计设在激流河道不同水域环境处，明渠流速流量计实时监测激流河道内水流流速、流量，使得激流河道内水流维持在所需流速，以保障训练效果。
56.本发明提供的基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法以及激流救援训练场地利用cfd(computational fluid dynamics，计算流体动力学)软件，根据激流训练条件，模拟仿真激流流动情况，还原典型水域灾场，为后续开展的水力学模型试验节约了时间与成本。
附图说明
57.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。
58.图1为本发明一实施例的基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法的流程图；
59.图2为本发明一实施例的激流救援训练场地的示意图；
60.图3为本发明一实施例的浮球液位计、静压液位计以及明渠流速流量计的布局示意图；
61.图4a～图4h分别为本发明一实施例的第一v流、第二v流、倒v流、覆盖流、微笑流、漩涡流、第一皱眉流、第二皱眉流的示意图；
62.图5为二维数值模拟速度场分布结果；
63.图6为三维流体域模型；
64.图7为本发明一实施例的激流区域三维速度场分布；
65.图8为本发明一实施例的设计水深处所在平面水的体积分数云图。
66.附图标记说明：1-水泵房；2-激流训练区(河道)；3-岸上区域；4-水池；5-v流训练区；6-微笑流训练区；7-漩涡流训练区；8-覆盖流训练区；9-倒v流训练区；10-水体模型；11-空气体模型。
具体实施方式
67.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付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。
68.图1为本发明一实施例的基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法的流程图，如图1所示，本发明提供的基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法，其包括：
69.s1：根据每一类型激流水域环境的水流形态的特点，利用障碍物组合方式或改变河道轮廓方式，对每一类型激流水域环境的实现形式进行初步设计；
70.s2：根据初步设计，对每一类型激流水域环境分别进行二维数值模拟及优化，得到多个激流水域环境二维模拟结果；
71.s3：设计河道整体轮廓并组合所有类型的激流水域环境，从而得到整个激流河道的轮廓与内部障碍物布置形式，设计水池与泵房位置，二者与激流河道相连，得到整个激流训练区域的样式，对整个激流训练区域进行二维数值模拟及设计优化，得到激流训练区域
二维模拟及设计结果；
72.s4：根据激流训练区域二维模拟及设计结果，对激流训练区域进行三维数值模拟及设计优化，得到激流训练区域三维模拟结果；
73.s5：根据实际训练时的需求，在激流训练区设置监测设备、爬梯等设施，从而确定室内激流救援训练场地的设计结果。
74.在本发明的一实施例中，激流水域环境包括v流、倒v流、微笑流、漩涡流、覆盖流以及皱眉流。
75.在本发明的一实施例中，各激流水域环境类型实现方式如下，如图4a-图4h所示分别为本发明一实施例的第一v流、第二v流、倒v流、覆盖流、微笑流、漩涡流、第一皱眉流、第二皱眉流的示意图，其中，v流包括以下第一v流和第二v流，皱眉流包括第一皱眉流和第二皱眉流，
76.第一v流：由3组长方体障碍物组成，呈形排列，如图4a所示；
77.第二v流：由2组长方体障碍物组成，呈v字排列，尖端朝上游，夹角宜为55
°
～75
°
，如图4b所示；
78.倒v流：由2组长方体障碍物组成，对称布置，与顺流方向夹角宜为30
°
～45
°
，如图4c所示；
79.微笑流：由1组圆柱体障碍物组成，其直径宜为河道宽度的20％～25％，障碍物正后方为回流区，如图4e所示；
80.漩涡流：通过河道轮廓转折或向外侧凸起实现，如图4f所示；
81.覆盖流：通过河道轮廓的渐缩实现，渐缩角宜为35
°
～55
°
，河道收窄后的宽度宜为原来的60％～70％，如图4d所示；
82.第一皱眉流：由1组长方体障碍物组成，与顺流方向夹角宜为35
°
～45，如图4g所示；
83.第二皱眉流：通过河道轮廓转折实现，转折前河道宽度宜小于转折后河道宽度，如图4h所示。
84.需要说明的是，本实施例举出以上几种激流水域环境类型，以上激流水域环境类型也可以相互组合，例如两种、三种或更多种激流水域环境组合在一起，视实际需要而定。
85.在本发明的一实施例中，步骤s2利用以下子步骤得到每一类激流水域环境二维模拟结果：
86.s21：利用spaceclaim软件，在二维平面创建与激流水域环境对应的简化模型以及命名进、出口及壁面边界，水流进口边界命名为inlet、水流进口边界为outlet，其余均为壁面wall；
87.s22：对简化模型划分二维网格，在进出口及障碍物壁面进行尺寸加密，一般是在mesh工具中导入上述二维模型后，设置默认网格尺寸，在进出口及障碍物壁面插入边缘尺寸调整，使该处网格加密；
88.s23：利用fluent软件计算求解：以水为流体材料，剪切应力输运k-omega为粘性模型，定义以下边界条件：入口速度值、压力出口以及壁面粗糙高度，以压力速度耦合方法进行瞬态求解计算，达到设定的流动时间后停止计算，壁面粗糙高度根据实际激流河道固体材料设置，本实施例中，河道固体材料为混凝土，取该值为0.0003m；
89.s24：利用cfd-post软件处理计算结果，绘制流速矢量图(具体方式为：在cfd-post软件中，在二维平面插入流速矢量)，分析二维速度场分布；
90.s25：判断是否满足该水域环境的水流形态特征，若不满足，优化二维模型设计，重复步骤s21～s24。
91.在本发明的一实施例中，步骤s22中，对简化模型划分二维网格是利用mesh工具、gambit或icem软件。
92.在本发明的一实施例中，步骤s23中，壁面粗糙高度根据实际激流河道固体材料设置。
93.在本发明的一实施例中，步骤s3包括以下子步骤：
94.s31：利用spaceclaim软件，在二维平面创建与激流训练区域模型以及命名进、出口及壁面边界；
95.s32：对简化模型划分二维网格，在进出口及障碍物壁面进行尺寸加密；
96.s33：利用fluent软件计算求解：以水为流体材料，剪切应力输运k-omega为粘性模型，定义以下边界条件：入口速度值、压力出口以及壁面粗糙高度，以压力速度耦合方法进行瞬态求解计算；
97.s34：利用cfd-post软件处理计算结果，绘制流速矢量图，分析二维速度场分布；
98.s35：判断激流训练区域整体及内部局部水域的水流形态、方向、流速相对大小是否符合训练要求。
99.在本发明的一实施例中，步骤s35中，若激流训练区域中某一处水域环境的水流形态、方向不符合实际训练要求，则按以下方式进行优化调整：
100.①
调整该处水域环境的障碍物尺寸、组合形式；
101.②
重新考虑该处上游水域环境类型；
102.③
在该处附近上游处布置障碍物作为导水构件；
103.步骤s35中，若激流训练区域中某一处水域环境的流速相对大小不符合实际训练要求，则按以下方式进行优化调整：
104.①
将该处附近上游河道缩窄；
105.②
在该处附近上游河道两侧布置障碍物缩窄河道；
106.按照以上方式进行优化调整，直至整个激流训练区域二维速度场分布符合每一类激流水域环境特征与实际训练要求，如图5所示为二维数值模拟速度场分布结果。
107.在本发明的一实施例中，步骤s4包括如下子步骤：
108.s41：激流训练区域二维模拟结果，在spaceclaim软件中创建三维流体域模型，如图6所示为三维流体域模型，流体域分为水体部分(水体模型)与空气体部分(空气体模型)，水体部分高度为设计水深，水体上方为空气体部分，水体部分与空气体部分的交界面为内部面(interior)，潜水泵井筒出口为水体入口面(inlet)，潜水泵井筒入口为水体出口面(outlet)，其余面为水体壁面(wall)，空气体与外界空气接触面为出口面(outlet)，与固体接触面为壁面(wall)，水体与空气体共享拓扑；
109.s42：利用fluent meshing工具、gambit或icem软件，对流体域划分多面体网格，并将整体网格平移至坐标原点，本实施例是利用fluentmeshing工具，导入上述三维流体域模型后，在交界面与部分水体壁面添加局部尺寸，生成面网格后，更新流体边界及流体域，以
last-ratio方式添加边界层，最后生成多面体网格；
110.s43：利用fluent软件计算求解，以水与空气为流体材料，vof为多相流模型(vof模型具体是在显式离散、隐式体积力、界面反扩散与连续表面力模型等条件下进行)、sst k-omega为粘性模型，定义边界条件如下：入口速度v大于0.8m/s，本实施例的入口速度v为1.2m/s，水的体积分数为1，水体出口为质量流出口，质量通量m计算式：m＝v
×
ρ
水
，质量通量m的单位为kg/(m2·
s)，ρ
水
为水的密度，本实施例的质量通量m为1197.84(kg/(m2·
s)，空气体出口类型为压力出口，壁面粗糙高度根据实际激流河道固体材料设置，采用压力速度耦合方法piso，初始化流场各物理参数、并对水体的体积分数进行局部初始化后，在重力作用下，进行瞬态计算；
111.s44：利用cfd-post软件处理计算结果；
112.s45：重复步骤s41～s44，直至激流训练区域的三维流场分布符合激流水域环境特征与训练要求。
113.在本发明的一实施例中，步骤s44包括如下子步骤：
114.s441：做出模拟水体部分流速矢量图，分析其三维速度场分布，具体方式是插入isovolume，boundary data值为1，判断激流区域整体及不同水域环境的水流形态、方向、流速是否符合激流水域环境特征与训练要求，若不符合要求，则进行优化调整，本实施例中的激流区域三维速度场分布如图7所示。
115.本实施例中，设计水深1.5m出所在平面，水的体积分数云图如图8所示，激流区域大部分满足水深要求，激流末尾段虽水深较浅，但对训练的影响较小。
116.图2为本发明一实施例的激流救援训练场地的示意图，图3为本发明一实施例的浮球液位计、静压液位计以及明渠流速流量计的布局示意图，如图2所示，本发明提供的激流救援训练场地包括水泵房1、激流训练区(河道)2、岸上区域3以及水池4，激流训练区2采用上述基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法进行设计，水泵房1内设有多个水泵，激流训练区2包括v流训练区5、倒v流训练区9、微笑流训练区6、漩涡流训练区7以及覆盖流训练区8，如图3所示，激流训练区中还设有浮球液位计、静压液位计以及明渠流速流量计，
117.浮球液位计设于水泵吸入口、泵房内水流出口以及水池，
118.静压液位计设于水泵房内、激流河道不同水域环境处，静压液位计实时监测水泵房与激流河道水位，防止水泵入口水位过低引起吸空，保证激流河道水流达到所需水位，
119.明渠流速流量计设在激流河道不同水域环境处，明渠流速流量计实时监测激流河道内水流流速、流量，使得激流河道内水流维持在所需流速，以保障训练效果。
120.本实施例的激流训练区采用上述基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法进行设计，激流训练区依次设有v流、微笑流、皱眉流、覆盖流、倒v流训练区。平均流速：0.5～2m/s，最大流速2.69m/s。水泵房中的水泵为潜水轴流泵。安装方式为混凝土预制井筒式安装。水泵打开方式为远程开启，根据训练需求可变频调节水量大小，训练完毕远程关闭水泵。
121.激流训练区水深：1.2～2m，设计水深1.5m。激流河道除定期排空清理外，其余时间河道一直保持有水状态，通过过滤清洁装置对河道内水进行净化处理。
122.岸上区域可进行孤岛救援训练与装备操作训练。
123.本发明提供的基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法以及激流救援训练
场地利用cfd(computational fluid dynamics，计算流体动力学)软件，根据激流训练条件，模拟仿真激流流动情况，还原典型水域灾场，为后续开展的水力学模型试验节约了时间与成本。
124.本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
125.本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
126.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实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法，其特征在于，包括：s1：根据每一类型激流水域环境的水流形态的特点，利用障碍物组合方式或改变河道轮廓方式，对每一类型激流水域环境的实现形式进行初步设计；s2：根据初步设计，对每一类型激流水域环境分别进行二维数值模拟及优化，得到多个激流水域环境二维模拟结果；s3：设计河道整体轮廓并组合所有类型的激流水域环境，从而得到整个激流河道的轮廓与内部障碍物布置形式，设计水池与泵房位置，二者与激流河道相连，得到整个激流训练区域的样式，对整个激流训练区域进行二维数值模拟及设计优化，得到激流训练区域二维模拟及设计结果；s4：根据激流训练区域二维模拟及设计结果，对激流训练区域进行三维数值模拟及设计优化，得到激流训练区域三维模拟结果；s5：根据实际训练时的需求，在激流训练区设置监测设备、爬梯等设施，从而确定室内激流救援训练场地的设计结果。2.根据权利要求1所述的基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法，其特征在于，激流水域环境包括v流、倒v流、微笑流、漩涡流、覆盖流以及皱眉流。3.根据权利要求2所述的基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法，其特征在于，各激流水域环境类型实现方式如下，其中，v流包括以下第一v流和第二v流，皱眉流包括第一皱眉流和第二皱眉流，第一v流：由3组长方体障碍物组成，呈形排列；第二v流：由2组长方体障碍物组成，呈v字排列，尖端朝上游，夹角宜为55
°
～75
°
；倒v流：由2组长方体障碍物组成，对称布置，与顺流方向夹角宜为30
°
～45
°
；微笑流：由1组圆柱体障碍物组成，其直径宜为河道宽度的20％～25％，障碍物正后方为回流区；漩涡流：通过河道轮廓转折或向外侧凸起实现；覆盖流：通过河道轮廓的渐缩实现，渐缩角宜为35
°
～55
°
，河道收窄后的宽度宜为原来的60％～70％；第一皱眉流：由1组长方体障碍物组成，与顺流方向夹角宜为35
°
～45；第二皱眉流：通过河道轮廓转折实现，转折前河道宽度宜小于转折后河道宽度。4.根据权利要求1所述的基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法，其特征在于，步骤s2利用以下子步骤得到每一类激流水域环境二维模拟结果：s21：利用spaceclaim软件，在二维平面创建与激流水域环境对应的简化模型以及命名进、出口及壁面边界；s22：对简化模型划分二维网格，在进出口及障碍物壁面进行尺寸加密；s23：利用fluent软件计算求解：以水为流体材料，剪切应力输运k-omega为粘性模型，定义以下边界条件：入口速度值、压力出口以及壁面粗糙高度，以压力速度耦合方法进行瞬态求解计算；s24：利用cfd-post软件处理计算结果，绘制流速矢量图，分析二维速度场分布；s25：判断是否满足该水域环境的水流形态特征，若不满足，优化二维模型设计，重复步骤s21～s24。
5.根据权利要求4所述的基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法，其特征在于，步骤s22中，对简化模型划分二维网格是利用mesh工具、gambit或icem软件。6.根据权利要求4所述的基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法，其特征在于，步骤s23中，壁面粗糙高度根据实际激流河道固体材料设置。7.根据权利要求1所述的基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法，其特征在于，步骤s3包括以下子步骤：s31：利用spaceclaim软件，在二维平面创建与激流训练区域模型以及命名进、出口及壁面边界；s32：对简化模型划分二维网格，在进出口及障碍物壁面进行尺寸加密；s33：利用fluent软件计算求解：以水为流体材料，剪切应力输运k-omega为粘性模型，定义以下边界条件：入口速度值、压力出口以及壁面粗糙高度，以压力速度耦合方法进行瞬态求解计算；s34：利用cfd-post软件处理计算结果，绘制流速矢量图，分析二维速度场分布；s35：判断激流训练区域整体及内部局部水域的水流形态、方向、流速相对大小是否符合训练要求。8.根据权利要求7所述的基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法，其特征在于，步骤s35中，若激流训练区域中某一处水域环境的水流形态、方向不符合实际训练要求，则按以下方式进行优化调整：
①
调整该处水域环境的障碍物尺寸、组合形式；
②
重新考虑该处上游水域环境类型；
③
在该处附近上游处布置障碍物作为导水构件；步骤s35中，若激流训练区域中某一处水域环境的流速相对大小不符合实际训练要求，则按以下方式进行优化调整：
①
将该处附近上游河道缩窄；
②
在该处附近上游河道两侧布置障碍物缩窄河道；按照以上方式进行优化调整，直至整个激流训练区域二维速度场分布符合每一类激流水域环境特征与实际训练要求。9.根据权利要求1所述的基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法，其特征在于，步骤s4包括如下子步骤：s41：在激流训练区域二维数值模拟结果的基础上，在spaceclaim软件中创建三维流体域模型，三维流体域分为水体部分与空气体部分，水体部分高度为设计水深，水体上方为空气体部分，水体部分与空气体部分的交界面为内部面，潜水泵井筒出口为水体入口面，潜水泵井筒入口为水体出口面，其余面为水体壁面，空气体与外界空气接触面为出口面，与固体接触面为壁面，水体与空气体共享拓扑；s42：利用fluent meshing工具、gambit或icem软件，对流体域划分多面体网格，并将整体网格平移至坐标原点；s43：利用fluent软件计算求解，以水与空气为流体材料，vof为多相流模型、sst k-omega为粘性模型，定义边界条件如下：入口速度v大于0.8m/s，水的体积分数为1，水体出口为质量流出口，质量通量q(kg/(m2
·
s))计算式：q＝v
×
ρ
水
，ρ
水
为水的密度，空气体出口类型
为压力出口，壁面粗糙高度根据实际激流河道固体材料设置，采用压力速度耦合方法piso，初始化流场各物理参数、并对水体的水体积分数进行局部初始化后，初始化方式为：先令整个流体各物理参数的初始值为0进行标准初始化，再令水体的水体积分数为1进行局部初始化，在重力作用下，进行瞬态计算；s44：利用cfd-post软件处理计算结果；s45：重复步骤s41～s44，直至激流训练区域的三维流场分布符合每一类激流水域环境特征与训练要求。10.根据权利要求9所述的基于cfd仿真的室内激流救援训练场地设计方法，其特征在于，步骤s44包括如下子步骤：s441：做出模拟水体部分流速矢量图，分析其三维速度场分布，具体方式是插入isovolume，boundary data值为1，判断激流区域整体及不同水域环境的水流形态、方向、流速是否符合激流水域环境特征与训练要求，若不符合要求，则进行优化调整。11.一种激流救援训练场地，其特征在于，包括水泵房、激流河道、岸上区域以及水池，激流训练区域采用权利要求1-10任一项所述的方法进行设计，水泵房内设有多个水泵，激流训练区域包括v流训练区、倒v流训练区、微笑流训练区、漩涡流训练区以及覆盖流训练区，激流训练区域中还设有浮球液位计、静压液位计以及明渠流速流量计，浮球液位计设于水泵吸入口、泵房内水流出口以及水池，静压液位计设于水泵房内、激流河道不同水域环境处，静压液位计实时监测水泵房与激流河道水位，防止水泵入口水位过低引起吸空，保证激流河道水流达到所需水位，明渠流速流量计设在激流河道不同水域环境处，明渠流速流量计实时监测激流河道内水流流速、流量，使得激流河道内水流维持在所需流速，以保障训练效果。

技术总结
一种基于CFD仿真的室内激流救援训练场地设计方法以及一种激流救援训练场地，该方法包括：S1：对每一类型激流水域环境的实现形式进行初步设计；S2：得到多个激流水域环境二维模拟结果；S3：得到整个激流河道的轮廓与内部障碍物布置形式，设计水池与泵房位置，二者与激流河道相连，得到整个激流训练区域的样式，对整个激流训练区域进行二维数值模拟及设计优化，得到激流训练区域二维模拟及设计结果；S4：根据激流训练区域二维模拟及设计结果，对激流训练区域进行三维数值模拟及设计优化，得到激流训练区域三维模拟结果；S5：根据实际训练时的需求，在激流训练区设置监测设备、爬梯等设施，从而确定室内激流救援训练场地的设计结果。果。果。


技术研发人员：范乐 郭芯竹 赵秀杰 徐峥 王燕语
受保护的技术使用者：中国建筑科学研究院有限公司
技术研发日：2023.07.25
技术公布日：2023/10/11