城市大型缓流景观水体流态优化的设计方法

摘要

本发明涉及一种城市大型缓流景观水体流态优化的设计方法，提出缓流水体流态优化的设计和运行评价指标；提出对不同循环流量、不同进水口流速的设计和运行方法；采用多目标优化模型表述上述问题，在选择优化算法求解的基础上，采用并行计算技术，大幅度提高模拟计算速度。由于发明方法提出了流态优化的指标，又对多种方案进行模拟计算、比较，其最佳方案的水体流速加权均值、水体速度分布、低流速水体百分数等参数，均好于用现有计算方法得到的水体循环方案的相应指标，提高了水体循环效果、改善水体水质。

说明书

技术领域

本发明涉及一种城市大型缓流景观水体流态优化的设计方法，同时也可以用于水体 循环系统建成后，根据湖水水位的高低、水质优劣，确定水体循环的水泵提升流量、进水 闸板开关状态及进水闸板开启大小等调控参数与措施。

背景技术

城市大型景观缓流水体由于本身的结构特点决定了其流态的复杂性和多样性。由于 CFD软件自身的限制，需在网格划分时对进出口做特定的设置。在计算过程中一旦更改了 进口位置和大小，就涉及到网格的重新划分和设定，而且由于水体面积大、划分的网格数 量巨大，CFD软件模拟计算的时间较长；此外，每次只能模拟计算一个工况，即使进口位 置和大小没有变化，仅仅循环流量或各进口流速改变时，都需重新进行模拟计算。这些都 限制了流态模拟中大量方案比选的可能性。

发明内容

针对目前许多城市水体多呈封闭、滞流、水体水质极易恶化的问题，采用水体循环方 式，提高水体流速，强化水体复氧，进而改善水体水质，提升水环境质量。本发明在已经 建立了一种大型缓流景观水体流态设计的多方案自动模拟计算方法的基础上，为解决水体 循环系统设计和运行时，需要对不同循环流量、不同进水口流速等更多不同运行工况的水 体流态进行模拟、提高模拟计算效率等问题，提出城市大型缓流景观水体流态优化的设计 方法。

本发明解决了现阶段景观水体流态模拟，大多采用人工比选方案引起的主观性强、比 选方案有限且难以确定最优方案的问题，也解决了大量方案比选时模拟计算时间过长而难 以实施的问题，为城市大型景观水体流态优化设计提供了新技术。

本发明不仅能够用于城市大型景观水体循环系统建设(即确定进水口空间布局方案)， 同时也可以用于水体循环系统建成后，根据湖水水位的高低、水质优劣，确定水体循环的 水泵提升流量、进水闸板开关状态及进水闸板开启大小等调控参数与措施。

本发明所要解决的问题如下：

1)综合考虑水体循环效果、水体循环系统建设的投资与运行费用，提出缓流水体流 态优化的设计和运行评价指标；

2)201110310189.0专利提出的设计方法主要解决的是循环水体进水口建设的问题，该 方法能够对一种循环流量进行多方案(每种方案确定后，其各进口流速即可确定)自 动模拟计算。而设计者常常希望对多种设计工况(即多种循环流量、多种进口流速) 的进水口设计方案进行比较，而且，系统建成后实际运行时，一年四季湖水水位、水 质是变化的，则水泵提升的循环流量、进水口闸板的控制状态也应随之改变，以提高 水体循环效果。本发明为进一步解决上述问题，提出对不同循环流量、不同进水口 流速的优化设计与优化运行方法，该方法大幅度增加了不同运行工况的模拟计算方 案数量；

3)本发明采用多目标优化模型表述上述问题。由于模拟计算方案大幅度增加，若采 用遍历手段，其计算量相当大。为解决这一问题，本发明在选择优化算法求解的基 础上，采用并行计算技术，通过多核计算机(或计算机集群)配置与编程，大幅度提 高模拟计算速度。

本发明依据系统优化、统计分析、计算流体力学等理论方法，提出并建立了城市大型 缓流景观水体流态优化的设计方法，经与改进水体网格边界条件设定、遗传算法寻优、并 行计算技术及各软件程序流的设计编程等集成，形成水体流态优化设计技术方法，实现了 水体循环系统建设时水体循环周期、入水口位置及数量的优化设计，以及循环系统建成后， 根据湖水水位的高低、水质优劣，确定水体循环的水泵提升流量、进水闸板开关状态及进 水闸板开启大小等优化运行参数。

具体技术方案如下：

(1)综合考虑水体循环效果、水体循环系统建设的投资与运行费用，提出缓流水体 流态优化的设计和运行评价指标；

1)以下述四个指标作为评价流场状态、表征水体循环效果指标：

①水体流速的加权均值

②进水口空间布局

③低流速水体体积

④湖区水体流速方差

2)采用年成本法计算水体循环的年费用，以此作为考察水体循环系统建设与运行资 金投入的评价指标。

(2)根据湖水水位的高低、循环周期的长短，确定循环流量的变化范围，并限定进水 口最小流速，从而形成不同循环流量、不同进水口流速的多种工况下的进水口设计与运行 方案。

(3)将上述问题采用数学规划方法表述。综合水体循环效果和水体循环资金投入的评 价指标，结合多种循环流量、多种进水口流速的运行工况，建立缓流水体流态优化设计 的多目标优化模型。

目标函数：

1)以水体流速的加权均值最大，作为水体循环追求的技术目标。

$f_1=\max \bar{v}=\max \frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\sqrt{(v_{\mathrm{xi}}^2+v_{\mathrm{yi}}^2)}*V_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{V}_i}---\left(1\right)$

式中：f₁——水体流速的加权均值的最大值，m/s

——水体流速的加权均值，m/s；

V_i——单元网格的质量，由网格体积代替，m³；

v_xi——单元网格中x方向上的流速，m/s；

v_yi——单元网格中y方向上的流速，m/s；

i——网格序号。

2)以水体循环系统建设的投资与运行费用最小，作为考察水体循环资金投入的控制 目标。

f₂＝min(k·C₁+C₂)＝minf(Q，vk)       (2)

式中：f₂——采用年成本法计算水体循环的年费用最小值，万元/年；

C₁——循环河道、进出水口、循环水泵投资现值，万元；

k——资金回收系数；

C₂——年运行费用，主要为电费，与循环水量Q有关，万元/年；

vk——进水口流速，m/s；

当系统建成后，进行水体循环优化运行决策时，f₂按下式计算：

f₂＝minC₂＝minf(Q，vk)               (3)

约束条件：

1)进水口空间布局合理约束，减小水体滞留区面积。

S_k≥s_k(4)

式中：S_k——k(可以是东南西北任意方向)方向进水口个数；

s_k——k(可以是东南西北任意方向)方向最少进水口个数。

2)低流速水体体积控制约束，以进一步减少水体滞留区体积。

$\underset{i}{\Sigma }{p}_{\mathrm{ibelow}}\le P_{\mathrm{below}}---\left(5\right)$

式中：p_ibelow——根据流速分布函数，在流速小于设定的最小流速的水体中，流速介于第 i个区间内的水体体积占总水体体积的百分比；

P_below——设定的流速小于最小流速的水体体积占总体积的百分比要求。

3)水体流速均匀约束，通过控制湖区水体流速方差实现。

${\mathrm{Dv}}^2=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(\sqrt{(v_{\mathrm{xi}}^2+v_{\mathrm{yi}}^2)}-\bar{v})}^2*V_i}{n*\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{V}_i}\le D---\left(6\right)$

式中：D——流速方差控制值。

4)不同运行工况的循环流量、进水流速等工况约束。

Q∈[Q_min，Q_max]                     (7)

vk_j≥vk_min                          (8)

式中：Q，Q_min，Q_max——分别为循环流量及其上下限，m³/s；

vk_min——进水口最小流速，m/s。

对上述多目标优化模型采用一种基于Pareto Front最优概念的多目标进化算法——基 于快速分类的非支配多目标遗传算法(NSGA-II)求解，该算法一次运行可求得多个无偏 好(无权重系数)的最优解，以供决策人员选择。

(4)采用并行计算技术，提高总体计算速度。

本发明提出的计算，并非专利法中涉及的25条(1)款的计算，而是具体解决如何分 配到计算机的内核，采用同时进行计算的方法，是基于符合自然规律的技术手段，同时具 有明显的技术效果，是对本技术领域的实际应用起到了功不可没的显著成效。

本发明提出的并行计算的核心是多个Fluent实例运算的并行。单个Fluent实例运算 非常耗时，是优化计算的时间瓶颈，本例中因为水体面积大，网格划分多，加之湖水流 速变化幅度大，则Fluent软件模拟计算的时间较长。每次Fluent运算平均为9分钟， 在多目标优化中，即便是运行1000次，也需要150小时；但是如果同时运行两个Fluent 实例，运行1000次时间则可降低为75小时。

通过以下两个步骤实现了Fluent实例在多目标优化中的并行计算。

1)配置多核计算机，为每个核建立一个文件夹，命名为case1，case2，…，每个文 件夹负责若干个个体的计算，个体个数的分配应尽量均匀，以达到每个核计算负荷的均 匀；

2)每个文件夹中含有4个文件，分别为velocity.txt、lake.jou、lake.cas、 result.txt。velocity.txt中含有每个入口的速度配置，这些配置是由程序依据当前种 群的每个个体修改；lake.jou包含Fluent实例运行需要的命令，即：读入case文件， 设置迭代次数，运行Fluent实例，退出Fluent计算；lake.cas是经过UDF编译链接后建 立的文件，可用来统计计算Fluent实例在迭代过程中的信息，将计算结果写入 result.txt；

以4核计算机为例，将Fluent模拟计算量分成4部分，同时模拟计算，以减少模拟计 算时间。图1为并行分核与计算框图。

虽然本发明在多核个体计算机上实现，但该方法完全可以扩展到计算机集群上使 用。

本发明的效果是：

①现阶段使用计算流体力学软件对景观水体进行流态模拟的研究，大多是手工选取 几个方案进行比选；发明人201110310189.0专利提出的设计方法可以对一种循环流量、 不同进水口的多种方案(每种方案各进口流速可确定)进行自动模拟设计。本发明的设计 方法可以对多种循环流量、多种进水口流速进行优化设计，使得水体循环模拟方案大幅度 增加，解决了城市大型景观水体循环系统建设设计方案(即确定进水口建设空间布局方案) 筛选问题，同时也可以用于水体循环系统建成后，根据湖水水位的高低、水质优劣，确定 水体循环的水泵提升流量、进水闸板开关状态及进水闸板开启大小等优化运行参数。

②由于大型景观水体面积大、网格多，Fluent软件模拟计算的时间长，本发明的设 计方法在合理制定方案筛选条件、选择优化算法求解的基础上，采用并行计算技术，配置 多核个人计算机计算，则模拟计算时间大幅度减少。

③因本发明方法提出了流态优化的指标，又对多种方案进行模拟计算、比较，其最 佳方案的水体流速加权均值、水体速度分布、低流速水体百分数等参数，均好于用现有计 算方法得到的水体循环方案的相应指标，提高了水体循环效果、改善水体水质。

附图说明

图1并行计算分核与计算框图，图中数字为进水口编号；

图2优化前速度分布直方图；

图3优化后速度分布直方图；

图4优化前流场分布图；

图5优化后流场分布图。

具体实施方式

以循环系统建设为例说明本发明的具体实施方式。

本实例为一景观水体，水面面积约42万m²，水深为1.8m～5.5m，湖水位于最低水 位时的水体容积约86万m³，湖水位于最高水位时的水体容积约140万m³，初步确定循环 周期为20～40天。

本实例设计可能的进水口17个，出水口2个，采用本发明方法确定该水体循环流量 和进水口方案。

本发明方法的步骤为：

(1)提出的评价流场状态、表征水体循环效果及考察水体循环资金投入的评价指标；

1)以下述四个指标作为评价流场状态、表征水体循环效果指标：

①水体流速的加权均值

②进水口空间布局

③低流速水体体积

④湖区水体流速方差

2)采用年成本法计算水体循环的年费用，以此作为考察水体循环系统建设与运行资 金投入的评价指标。

(2)根据湖水水位的高低、循环周期的长短，确定循环流量的变化范围，并限定进 水口最小流速，从而形成不同循环流量、不同进水口流速的多种工况下的进水口设计与运 行方案。

(3)采用数学规划方法表述上述问题，建立水体循环流态优化的多目标优化模型。

目标函数：

①水体流速加权均值最大

$f_1=\max \bar{v}=\max \frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\sqrt{(v_{\mathrm{xi}}^2+v_{\mathrm{yi}}^2)}*V_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{V}_i}$

②水体循环系统建设所需的投资与运行费用最小

f₂＝min(k·C₁+C₂)＝minf(Q，vk)

约束条件：

①进水口空间布局合理

S_k≥1    k＝1，2，3，4

式中：S₁、S₂、S₃、S₄分别代表景观湖北侧，东北侧，东南侧和南侧进水口的个数。

②低流速水体体积百分数控制

$\underset{i}{\Sigma }{p}_{\mathrm{ibelow}}\le 10\%$

当网格内水流速度小于0.002m/s时，认为该网格水处于滞留状态。

③湖区水体流速方差控制

${\mathrm{Dv}}^2=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(\sqrt{(v_{\mathrm{xi}}^2+v_{\mathrm{yi}}^2)}-\bar{v})}^2*V_i}{n*\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{V}_i}\le 1.0e-010$

④循环流量、进水口流速控制

Q∈[0.6360，2.5411]

vk_j≥0.016    j＝1，2，L，17

(4)构建几何模型、建立网格文件(msh文件)、UDF编译、做case文件和制作iou 文件。

①构建几何模型。在CAD中将用户提供的水面图mj.dwg输出保存为mj.sat文件， 并导入Gambit中。

②网格划分。设置网格边界条件。设置进水口、出水口和壁面，在本方法中将可能 的进口边界，均设置为进水口，并做加密处理以强化模拟效果。计算中，设定各进水口流 速，若进水口流速大于速度临界值(即0.016m/s)，则该进口为开状态，否则，令该进口为 关状态。整个计算域划分为146556个三角形非结构网格，共有74059个节点。计算域内 最小网格面积为0.2452m²，最大网格面积为5.3368m²。

③检查网格并输出网格文件mj.msh。

④编写UDF。本方法通过DEFINE_PROFINE、DEFINE_EXECUTE_AT_END两个函数定义流 场各指标计算、进口位置条件判断、速度赋值和结果输出等。

⑤建立mj.case文件。运行Fluent，读入网格文件mj.msh，将UDF源代码动态加载 到Fluent环境中，并通过UDF的编译和链接建立mj.case文件。

⑥制作mj.jou文件。mj.jou文件用于网格初始化和迭代。

(5)多核计算机配置与模拟计算。

①配置多核计算机，本实例计算机配置为处理器主频3.07GHz，4核，内存为4.00GB， 硬盘为1T；

②设置初始条件和运行参数，包括设置有效核数目：4，决策变量个数：17，目标个 数：2，每一代种群规模：100，进化代数：50，每个核分配个体：25，每一次NSGA-II运 算的Fluent最大运算次数：500，NSGA-II算法采用模拟二进制交叉分布指数：20，多项 式变异分布指数：20，每次Fluent迭代计算结束输出结果：5项，包括最大流速、最小流 速、湖水平均流速等；选择第3项即湖水平均流速为比较项；种群初始化值保存文件： initPop.mat。

②为4核并行计算设置4个文件夹case1、case2、case3、case4，每个文件夹中含有 4个文件，分别为velocity.txt、mj.jou、mj.case、result.txt。

velocity.txt中含有17个入口的速度配置，即由程序依据当前种群的每个个体进行修改；

mj.jou包含Fluent运行本例需要的命令，读入case文件，设置迭代次数为1500，Fluent 实例运行结束，退出Fluent计算；

mj.case用来统计计算本例在Fluent计算过程中的信息，包括最大流速、最小流速、湖 水平均流速、湖内的总能量和速度方差，并将计算结果写入result.txt；

result.txt储存Fluent运算后的输出计算结果，为上述5项内容，这些信息将被读取以 计算目标函数。

③模拟计算，第1次进行NSGA-II计算时，需生成计算方案的速度文件，判断是否 满足第I组约束条件。若不满足，直接赋值目标函数＝inf，该方案不再进行Fluent迭代计 算，直接在结果文件(solution.txt)中参与排序并输出；若满足，则将生成的速度文件平 均分配到4个核中，以脚本方式调用Fluent进行计算；Fluent计算结束后，汇总计算结果， 判断是否满足第II组约束条件，若不满足，赋值目标函数＝inf，直接在结果文件 (solution.txt)中参与排序并输出；若满足，则计算目标函数并排序；

④判断是否满足终止条件。对于每一次NSGA-II计算，终止条件为两类：i)Fluent 实例运行次数大于设定最大运算次数500，或ii)进化代数大于设定参数50。若满足停止 条件，停止本次NSGA-II计算，输出结果；不满足停止条件，则执行选择算子、交叉算子 和变异算子，产生新的速度文件，返回③重复计算。

⑤按上述步骤，采用NSGA-II计算N次，自第2次以后每次NSGA-II计算，直接从 种群初始化值保存文件initPop.mat中读取上一次的计算结果作为新的速度文件，从③重复 计算。当第N次NSGA-II运行Pareto front与第N-1次的Pareto front相比没有明显改进时， 停止多次NSGA-II运行，将第N次NSGA-II运行结果作为最终优化方案的决策依据。

效果分析：

1)一般用现有计算方法模拟计算方案3-5个，故一般设计的进水口不多，而且每次 只能模拟计算一个工况，即循环流量与各进口流速均为定值；应用本发明方法在一次性完 成网格划分和边界条件设置后，即可一次完成M个循环流量下N种可能进口速度组合的大 量方案的模拟计算，可对大型景观水体设有较多进水口的水体循环方案进行比选，包括循 环流量、进水口空间布局和各进水口速度，可用于循环系统建设设计方案的决策支持，也 可用于水体循环系统建成后，根据湖水水位的高低、水质优劣，合理确定水体循环的水泵 提升流量、进水闸板开关状态及进水闸板开启大小等调控参数与措施。

2)本实例设计可能的进水口17个，假设进口速度、循环流量不变，则17个进水口， 至少有131000种水循环进口方案。用现有计算方法难以对如此多种方案进行逐一模拟计 算，因为全部方案模拟，在本例的计算机配置条件下(仅用1核)，用时约818天(本例 中Fluent运算1次，平均运算时间约9分钟)；而采用本方法，在合理制定方案筛选条件、 选择优化算法求解的基础上，引入并行计算技术，配置4核计算，计算用时减少到3.9天， 最终给出多种可供选择的优化设计方案，使得大型复杂水体循环进行大量方案模拟计算成 为可行。表1为本实例模拟计算的部分优化方案。

表1部分优化方案的进水口流速、湖水平均流速、循环流量等

3)图2为用现有计算方法按通常设计在景观湖的南、北两端各设1个进水口的循环 方案的湖区流场分布图，而用本发明方法进行优化模拟计算后，选择表1中方案3为最佳 方案(上述两方案循环流量相同)，该方案在南、北、东设置7个进水口，图3为其湖区 流场分布图。比较两图可见，优化方案进水口空间布局合理，避免任一方向存在水体滞留 区(图中显示湖面东南测有一凸出的半圆形水域，因岸边条件限制，该处不能设置进水口)。

4)采用现有计算方法得到的循环方案的湖水加权平均流速为0.0096m/s，速度方差为 1.30943e-010；应用本发明方法筛选的最佳方案湖水加权平均流速为0.0158m/s，速度方 差为5.77653e-011。流态优化设计方法较现有计算方法湖水平均流速提高了64.6％，速度 方差减小了55.9％，水体的速度分布更加均匀，水动力条件得到明显改善。此外，从两个 方案的速度分布直方图(图4、图5)可以看到，应用本发明方法速度分布明显向较高速度 方向偏移，降低了低流速区比例，其中流速小于9mm/s的水域面积由占总水面的23.3％ 降低到14.1％，滞留区水域面积由占总水面的3.94％降低到1.93％，提高了水体循环效果， 进而改善水体水质。