本發(fā)明屬于水利工程，具體涉及一種基于克里金（kriging）代理模型的豎井旋流泄洪洞體型優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、豎井旋流泄洪洞是一種先進的水利工程結(jié)構(gòu)，其作為各類擋水壩體用于泄放水流的構(gòu)筑物，主要功能在于泄放水流，消除水流多余能量，使水流平穩(wěn)下泄，并防止下游產(chǎn)生霧化以及河床或岸坡沖刷。當(dāng)前，諸多水利工程如抽水蓄能工程、土石壩工程及重力壩工程等均采用了豎井旋流泄洪洞這一結(jié)構(gòu)設(shè)計用于宣泄洪水。豎井旋流泄洪洞的基本構(gòu)成包括引水道上平段、渦室段、收縮段、豎井段、消力井、壓坡段、退水隧洞下平段、出口段。在這種結(jié)構(gòu)中，水流首先通過引水道上平段進入渦室段，然后在渦室段的作用下開始旋轉(zhuǎn)，形成旋流。這種旋流在豎井內(nèi)部產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)的水流，水流與收縮段壁面摩擦，中部攜帶氣體空腔向下旋轉(zhuǎn)跌落至消力井內(nèi)，在這一過程中，將水流的勢能和動能轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)水流能量的消耗。由于出口段通過壓坡段控制出流，水流與少量空氣混摻后下泄，可有效減少下游產(chǎn)生霧化現(xiàn)象。通過豎井旋流泄洪洞對水流能量的消耗，能夠有效地降低下泄水流能量，從而保護下游河床和河岸的穩(wěn)定，同時下泄水流具有較高的氧含量，可以促進水生生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

2、豎井旋流泄洪洞的研究和應(yīng)用，涉及到水力學(xué)、流體力學(xué)等多個領(lǐng)域。多年來，傳統(tǒng)的豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計論證通過水力學(xué)模型實驗進行，而近年來，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，諸多研究人員利用計算流體動力學(xué)（cfd）方法對豎井旋流泄洪洞的水力特性進行研究，以優(yōu)化其體型結(jié)構(gòu)設(shè)計并提高其消能率。利用計算流體動力學(xué)方法進行豎井旋流泄洪洞體型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程需要多次重復(fù)構(gòu)建豎井旋流泄洪洞模型，進行多次數(shù)值模擬，以達到較為理想的設(shè)計泄水效果，這一過程繁瑣且耗時，設(shè)計或優(yōu)化經(jīng)驗要求非常高。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的旨在提出一種豎井旋流泄洪洞體型優(yōu)化方法，該優(yōu)化方法不需要多次數(shù)值模擬，減少了設(shè)計論證次數(shù)，提高了優(yōu)化效率。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、本發(fā)明提供一種豎井旋流泄洪洞體型優(yōu)化方法，包括以下步驟：

4、s1、確定豎井旋流泄洪洞的若干個體型優(yōu)化參數(shù)和若干個優(yōu)化指標(biāo)；

5、s2、獲取各體型優(yōu)化參數(shù)取值范圍，在各體型優(yōu)化參數(shù)取值范圍內(nèi)分別進行隨機采樣，組成多組體型優(yōu)化參數(shù)樣本；

6、s3、根據(jù)多組體型優(yōu)化參數(shù)樣本，利用三維建模軟件對豎井旋流泄洪洞進行參數(shù)化建模，對構(gòu)建得到的豎井旋流泄洪洞模型進行數(shù)值模擬，得到各組體型優(yōu)化參數(shù)樣本一一對應(yīng)的優(yōu)化指標(biāo)值；

7、s4、根據(jù)s3中所有體型優(yōu)化參數(shù)樣本及優(yōu)化指標(biāo)值，構(gòu)建kriging代理模型；

8、s5、根據(jù)上述kriging代理模型建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，并求解，得到體型優(yōu)化參數(shù)的最優(yōu)解；

9、s6、根據(jù)所述體型優(yōu)化參數(shù)的最優(yōu)解進行豎井旋流泄洪洞的建設(shè)。

10、優(yōu)選的，s1中，所述體型優(yōu)化參數(shù)包括收縮段高度a、消力井深度與豎井段直徑的比值b以及壓坡段長度與豎井段直徑的比值c。

11、進一步的，s5中，所述多目標(biāo)優(yōu)化模型的約束條件為：

12、a.?收縮段高度a約束，amin≤a≤amax；amin和amax分別為收縮段高度的最小值和最大值；

13、b.?消力井深度與豎井段直徑的比值b約束，bmin≤b≤bmax；bmin和bmax分別為消力井深度與豎井段直徑的比值的最小值和最大值；

14、c.?壓坡段長度與豎井段直徑的比值c約束，cmin≤c≤cmax；cmin和cmax分別為壓坡段長度與豎井段直徑的比值的最小值和最大值。

15、優(yōu)選的，s1中，所述優(yōu)化指標(biāo)包括豎井旋流泄洪洞的消能率s和出流流速均勻系數(shù)z。

16、進一步的，s5中，所述多目標(biāo)優(yōu)化模型的優(yōu)化目標(biāo)包括：消能率s最大，出流流速均勻系數(shù)z最小。

17、優(yōu)選的，s2中，所述在各體型優(yōu)化參數(shù)取值范圍內(nèi)分別進行隨機采樣，具體是：采用最優(yōu)空間填充設(shè)計方法在各體型優(yōu)化參數(shù)取值范圍內(nèi)分別隨機選取多個體型優(yōu)化參數(shù)樣本。

18、優(yōu)選的，s3中，所述對構(gòu)建得到的豎井旋流泄洪洞模型進行數(shù)值模擬，具體是：

19、在豎井旋流泄洪洞模型的如下區(qū)域進行數(shù)值模擬：入口庫區(qū)、補氣孔、引水道上平段、渦室段、通氣井、收縮段、豎井段、消力井、壓坡段以及退水隧洞下平段。

20、優(yōu)選的，s4中，構(gòu)建得到kriging代理模型后，對kriging代理模型進行精度評估，若評估結(jié)果為kriging代理模型滿足精度要求，則進行s5；否則，返回s2進行再次采樣，并重復(fù)s3、s4步驟，直至kriging代理模型滿足精度要求為止。

21、進一步的，所述對kriging代理模型進行精度評估，具體為：在各體型優(yōu)化參數(shù)取值范圍內(nèi)，選取除所述體型優(yōu)化參數(shù)樣本以外的若干組驗證點，進行數(shù)值模擬以計算每組驗證點對應(yīng)的優(yōu)化指標(biāo)值，得到模擬值；采用kriging代理模型預(yù)測每組驗證點對應(yīng)的優(yōu)化指標(biāo)值，得到預(yù)測值；對所述模擬值與預(yù)測值進行誤差分析，若r2大于0.9，則kriging代理模型滿足精度要求。

22、優(yōu)選的，采用多目標(biāo)遺傳算法對多目標(biāo)優(yōu)化模型進行求解。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

24、本發(fā)明設(shè)計了一種基于kriging代理模型的豎井旋流泄洪洞體型優(yōu)化方法，與傳統(tǒng)優(yōu)化方法相比，本發(fā)明只需選取合理的體型優(yōu)化參數(shù)取值范圍，在此體型優(yōu)化參數(shù)取值范圍內(nèi)進行采樣，組成多組體型優(yōu)化參數(shù)樣本，并基于體型優(yōu)化參數(shù)樣本進行建模和數(shù)值模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果確定kriging代理模型，后續(xù)無需調(diào)用數(shù)值模擬程序進行數(shù)值模擬，根據(jù)kriging代理模型即可得到體型優(yōu)化參數(shù)對應(yīng)的豎井旋流泄洪洞的水力特性指標(biāo)（即優(yōu)化指標(biāo)），即可快速得到同時滿足多個優(yōu)化指標(biāo)要求的豎井旋流泄洪洞最佳體型。本發(fā)明方法能夠在諸多的體型優(yōu)化參數(shù)條件下，尋求到最為合理的參數(shù)值，在這一過程中減少設(shè)計論證次數(shù)，快速獲得各體型優(yōu)化參數(shù)對優(yōu)化指標(biāo)的影響規(guī)律，克服了傳統(tǒng)優(yōu)化方法需要進行多次數(shù)值模擬、效率低、優(yōu)化時間周期長的缺陷。此外，本發(fā)明采用的kriging代理模型相對于標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)面模型，可以避免出現(xiàn)過擬合和欠擬合的情況，確保獲得更佳的優(yōu)化結(jié)果。

25、進一步的，本發(fā)明采用最優(yōu)空間填充設(shè)計（optimal?space-filling?design，osf）技術(shù)進行體型優(yōu)化參數(shù)樣本采集，能在體型優(yōu)化參數(shù)取值范圍空間中實現(xiàn)更均勻的樣本分布，同時最大化樣本點之間的距離，確保樣本點的獨立性和多樣性，從而有效處理極端情況，并為設(shè)計空間提供了全面而精確的覆蓋。

26、進一步的，本發(fā)明通過對kriging代理模型進行精度評估，可以保證得到的kriging代理模型的準(zhǔn)確性，從而保證最終預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

技術(shù)特征：

1.一種豎井旋流泄洪洞體型優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的豎井旋流泄洪洞體型優(yōu)化方法，其特征在于：s1中，所述體型優(yōu)化參數(shù)包括收縮段高度a、消力井深度與豎井段直徑的比值b以及壓坡段長度與豎井段直徑的比值c。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的豎井旋流泄洪洞體型優(yōu)化方法，其特征在于：s5中，所述多目標(biāo)優(yōu)化模型的約束條件為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的豎井旋流泄洪洞體型優(yōu)化方法，其特征在于：s1中，所述優(yōu)化指標(biāo)包括豎井旋流泄洪洞的消能率s和出流流速均勻系數(shù)z。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的豎井旋流泄洪洞體型優(yōu)化方法，其特征在于：s5中，所述多目標(biāo)優(yōu)化模型的優(yōu)化目標(biāo)包括：消能率s最大，出流流速均勻系數(shù)z最小。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的豎井旋流泄洪洞體型優(yōu)化方法，其特征在于：s2中，所述在各體型優(yōu)化參數(shù)取值范圍內(nèi)分別進行隨機采樣，具體是：采用最優(yōu)空間填充設(shè)計方法在各體型優(yōu)化參數(shù)取值范圍內(nèi)分別隨機選取多個體型優(yōu)化參數(shù)樣本。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的豎井旋流泄洪洞體型優(yōu)化方法，其特征在于：s3中，所述對構(gòu)建得到的豎井旋流泄洪洞模型進行數(shù)值模擬，具體是：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的豎井旋流泄洪洞體型優(yōu)化方法，其特征在于：s4中，構(gòu)建得到kriging代理模型后，對kriging代理模型進行精度評估，若評估結(jié)果為kriging代理模型滿足精度要求，則進行s5；否則，返回s2進行再次采樣，并重復(fù)s3、s4步驟，直至kriging代理模型滿足精度要求為止。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的豎井旋流泄洪洞體型優(yōu)化方法，其特征在于：所述對kriging代理模型進行精度評估，具體為：在各體型優(yōu)化參數(shù)取值范圍內(nèi)，選取除所述體型優(yōu)化參數(shù)樣本以外的若干組驗證點，進行數(shù)值模擬以計算每組驗證點對應(yīng)的優(yōu)化指標(biāo)值，得到模擬值；采用kriging代理模型預(yù)測每組驗證點對應(yīng)的優(yōu)化指標(biāo)值，得到預(yù)測值；對所述模擬值與預(yù)測值進行誤差分析，若r2大于0.9，則kriging代理模型滿足精度要求。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的豎井旋流泄洪洞體型優(yōu)化方法，其特征在于：采用多目標(biāo)遺傳算法對多目標(biāo)優(yōu)化模型進行求解。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于水利工程技術(shù)領(lǐng)域，提供一種豎井旋流泄洪洞體型優(yōu)化方法，包括：S1、確定豎井旋流泄洪洞的若干體型優(yōu)化參數(shù)和若干優(yōu)化指標(biāo)；S2、獲取各體型優(yōu)化參數(shù)取值范圍并進行隨機采樣，組成多組體型優(yōu)化參數(shù)樣本；S3、根據(jù)多組體型優(yōu)化參數(shù)樣本，對豎井旋流泄洪洞進行建模，對得到的豎井旋流泄洪洞模型進行數(shù)值模擬，得到各組體型優(yōu)化參數(shù)樣本對應(yīng)的優(yōu)化指標(biāo)值；S4、根據(jù)所有體型優(yōu)化參數(shù)樣本及優(yōu)化指標(biāo)值，構(gòu)建Kriging代理模型；S5、根據(jù)Kriging代理模型建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，求解，得到體型優(yōu)化參數(shù)的最優(yōu)解；S6、根據(jù)體型優(yōu)化參數(shù)的最優(yōu)解進行豎井旋流泄洪洞的建設(shè)。該優(yōu)化方法不需要多次數(shù)值模擬，提高了優(yōu)化效率。

技術(shù)研發(fā)人員：王雯,薛濤,張杰,鄧明昊,薛萬云,白鳳朋,徐威,劉睿,陳浩,李占斌,李鵬,張皎,向珂,陳文夫,藺旭東
受保護的技術(shù)使用者：西安理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9