本发明涉及流动速度控制，尤其涉及一种水利工程用高落差输送的管道结构、管道及结构设计方法。
背景技术：
1、混凝土等流体建材通过管道自上而下垂直运输时，在落差较大的情况下，流体建材受到重力加速度影响，流动速度随时间推移不断增长，导致流体建材发生材料分层和骨料分离的现象，造成最终成型质量不达标，无法满足施工使用需求。
2、因此，亟需一种能够在流体建材通过管道垂直输送中，科学合理控制其流动速度的缓冲消能结构及其设计方法，以提高流体建材的稳定性，确保自身性能可控，避免发生材料分层和骨料分离问题。
技术实现思路
1、本发明提供了一种水利工程用高落差输送的管道结构、管道及结构设计方法，用以解决流体建材通过管道垂直输送中常发生材料分层和骨料分离现象的技术问题。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种水利工程用高落差输送的管道结构，管道结构包括第一管道壁和第二管道壁；第一管道壁和第二管道壁互相连接构成完整管道结构；
3、第一管道壁包括缓冲区，第二管道壁包括包裹区；
4、缓冲区和包裹区将管道结构的输入口和输出口在输送方向错位。
5、优选的，缓冲区和包裹区均为月牙形平面；
6、缓冲区用于接受流体建材由上至下的冲击；
7、包裹区用于包裹经过缓冲区后的流体建材。
8、优选的，第一管道壁和第二管道壁均为预先设计的流线型曲面；
9、缓冲区用于接受流体建材由上至下的冲击；
10、包裹区用于包裹经过缓冲区后的流体建材。
11、优选的，预先设计的流线型曲面用于保证管道结构内流体建材的流速达到预设条件，并缓冲、包裹和输送流体建材。
12、本发明还提供了一种水利工程用高落差输送的管道，基于本发明的管道结构，管道包括至少一个管道结构；
13、管道用于高落差输送流体建材。
14、本发明还提供了一种水利工程用高落差输送管道结构的设计方法，包括：
15、建立初始模型；初始模型的输入口与输出口沿输送方向错位分布，在输入口和输出口之间形成第一区域；
16、对初始模型进行输送数值模拟；垂直输送方向地在初始模型上截取预设数量个截面；根据数值模拟和截面得到截面与流迹线的交点及交点的流速；
17、剔除流速不在预设范围的交点，得到合格交点；根据合格交点将各截面进行优化，得到优化截面；
18、将所有优化截面拉伸拟合，得到第一管道结构。
19、优选的，对初始模型进行输送数值模拟包括：
20、以初始模型的输入口到输出口之间为流体建材流动范围，设置流体建材的初始速度，开始模拟流体建材的自由流动；
21、记录初始模型中不同位置的预设数量条流体建材的流迹线；记录流迹线上流体建材的实时流速信息。
22、优选的，其特征在于，建立初始模型包括：
23、设置沿输送方向错位分布的管道输入口与输出口；输入口与输出口在垂直输送方向的平面上的投影有预设范围的重叠；
24、在输入口与输出口之间设置第一区域；第一区域包括缓冲区和包裹区；缓冲区用于接受流体建材由上至下的冲击；包裹区用于包裹经过缓冲区后的流体建材。
25、以管道形式将输入口与输出口连通至第一区域，形成一个包括输入口与输出口的完整管道结构，得到初始模型。
26、优选的，垂直输送方向地在初始模型上截取预设数量个截面包括：
27、沿输送方向以相同的比例划分初始模型，得到预设数量个划分线；
28、在各划分线处对初始模型进行截取，得到预设数量个截面，截面之间互相平行。
29、优选的，剔除流速不在预设范围的交点包括：
30、将所有交点的实时流速与预设的合格流速范围进行比较；
31、若交点的实时流速在预设的合格流速范围内，则保留交点作为合格交点；
32、若交点的实时流速不在预设的合格流速范围内，则剔除交点。
33、优选的，根据合格交点将各截面进行优化，得到优化截面包括：
34、以同一截面上的所有合格点为基础，建立包络圆；包络圆覆盖所处截面的所有合格点，且到所有点的距离之和最小；包络圆通过随机增量和递归计算的方法计算得到；将包络圆作为优化截面。
35、优选的，将所有优化截面拉伸拟合，得到第一管道结构包括：
36、将各个优化截面的边缘往其他优化截面进行拉伸，使所有的优化截面连接起来，得到一个连通的管道结构，得到第一管道结构，即得到适应流体建材高落差输送的管道结构。
37、本发明具有以下有益效果：
38、1、本发明的水利工程用高落差输送的管道结构，通过设置缓冲区和包裹区，将管道结构的输入口和输出口在输送方向错位，使流经的流体建材在缓冲区进行缓冲，缓解了高落差情况下流体建材的流速，并经由包裹区进行包裹，避免流体建材的流速过度减缓或形成堆积，使得管道结构在高落差输送流体建材时能够避免材料分层和骨料分离现象。
39、2、本发明的水利工程用高落差输送的管道，基于本发明的管道结构，与本发明的管道结构具备相同的技术效果。
40、3、本发明的适应流体建材高落差输送的管道结构设计方法，通过设置一个带有缓冲作用区域的初始模型，并在初始模型上进行数值模拟，得到了不同位置流体建材的流动轨迹和流速信息，并在初始模型上截取了预设数量的截面，再根据流动轨迹、流速信息和截面，得到流体轨迹与各截面的交点，以及交点实时流速；通过对这些交点进行筛选，将流速不符合要求的点进行了剔除，使得本方法中的保留的合格交点为流动速度满足性能稳定需求的点，在这些点的流体经缓冲消能后仍处于正常流动状态，为本方案后续的截面优化提供了数据支撑。
41、4、本发明的适应流体建材高落差输送的管道结构设计方法，通过在截面处提取各个阶段流体建材的运行状态和性能，分析流体建材垂直下落的流动迹线，并在对应截面筛选剔除流动速度不合格的异常点，再对截面优化，确保了结构范围内流体性能均处于稳定状态。
42、5、本发明的适应流体建材高落差输送的管道结构设计方法，进行了优化截面之间的拉伸拟合，最终得到了能够适应流体建材高落差输送的管道结构，在流体建材高落差的输送中使用这种管道结构能够提高流体建材的稳定性，确保流体建材自身性能可控，避免流体建材发生材料分层和骨料分离的问题。
43、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
1.一种水利工程用高落差输送的管道结构，其特征在于，所述管道结构包括第一管道壁(1)和第二管道壁(2)；所述第一管道壁(1)和第二管道壁(2)互相连接构成完整管道结构；
2.根据权利要求1所述的水利工程用高落差输送的管道结构，其特征在于，所述缓冲区(3)和包裹区(4)均为月牙形平面；
3.根据权利要求1所述的水利工程用高落差输送的管道结构，其特征在于，所述第一管道壁(1)和第二管道壁(2)均为预先设计的流线型曲面；
4.根据权利要求3所述的水利工程用高落差输送的管道结构，其特征在于，所述预先设计的流线型曲面用于保证管道结构内流体建材的流速达到预设条件，并缓冲、包裹和输送流体建材。
5.一种水利工程用高落差输送的管道，基于权利1至4任一项所述的管道结构，其特征在于，所述管道包括至少一个所述管道结构；
6.一种水利工程用高落差输送管道结构的设计方法，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的水利工程用高落差输送管道结构的设计方法，其特征在于，对所述初始模型进行输送数值模拟包括：
8.根据权利要求7所述的水利工程用高落差输送管道结构的设计方法，其特征在于，所述建立初始模型包括：
9.根据权利要求8所述的水利工程用高落差输送管道结构的设计方法，其特征在于，垂直输送方向地在所述初始模型上截取预设数量个截面包括：
10.根据权利要求9所述的水利工程用高落差输送管道结构的设计方法，其特征在于，剔除流速不在预设范围的交点包括：
11.根据权利要求10所述的适应流体建材高落差输送的管道结构设计方法，其特征在于，根据合格交点将各截面进行优化，得到优化截面包括：
12.根据权利要求11所述的适应流体建材高落差输送的管道结构设计方法，其特征在于，将所有优化截面拉伸拟合，得到第一管道结构包括：
