研究背景與意義

潰壩現(xiàn)象是指大壩或堤壩結(jié)構(gòu)因洪水、地震、人為破壞或結(jié)構(gòu)本身缺陷等原因突然失效，壩內(nèi)水體以劇烈的流態(tài)向下游泄流，往往造成災(zāi)難性的后果。歷史上的潰壩事故，如1975年河南板橋水庫潰壩，造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，深入研究潰壩過程中的水動力學(xué)特性，建立精確的數(shù)值模型，對于預(yù)測洪災(zāi)、制定應(yīng)急預(yù)案以及大壩的設(shè)計與安全評估具有重大意義。

隨著CFD的快速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為研究潰壩問題的主要手段之一。尤其是二維潰壩數(shù)值模擬，以其高效、經(jīng)濟和安全等優(yōu)勢，在研究潰壩流動特征、優(yōu)化壩體設(shè)計以及制定安全標準方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

標準潰壩實驗

標準潰壩實驗最早由Martin和Moyce（1952）提出，經(jīng)過多年的不斷發(fā)展，逐漸成為檢驗數(shù)值模型準確性的經(jīng)典算例之一。該實驗通常在一個長方形水槽內(nèi)進行，水槽的一端安裝有一堵垂直擋板，將水槽分隔為上游和下游兩個區(qū)域，上游區(qū)域注滿水，下游區(qū)域保持干燥。實驗開始時迅速移除擋板，上游蓄積的水在重力作用下迅速流向下游，從而產(chǎn)生一個瞬態(tài)流動過程。

二維標準潰壩實驗一般采用透明材料制作水槽，以方便采用高速度相機和其他光學(xué)測量技術(shù)，如粒子圖像測速法（PIV），實時記錄水位變化和流場分布。這種實驗提供了豐富的流動細節(jié)和定量數(shù)據(jù)，包括水頭傳播速度、波面位置、水深變化和流體速度場等信息，這些都是檢驗數(shù)值模擬精度的重要依據(jù)。

數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬潰壩問題的方法眾多，其中常見的方法包括有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）和有限體積法（FVM）。目前，有限體積法以其良好的守恒性質(zhì)和易于處理復(fù)雜邊界條件的優(yōu)勢，成為主流的求解方法。Navier-Stokes方程描述了流體運動的基本規(guī)律，包括連續(xù)性方程和動量守恒方程。此外，由于潰壩問題涉及自由表面運動，常常需要引入專門的自由表面捕捉技術(shù)，如體積法（Volume of Fluid，VOF）或水平集法（Level Set Method）等。

積鼎自研通用計算流體力學(xué)分析軟件VirtualFlow基于FVM開發(fā)，具有全代碼自主可控、先進的網(wǎng)格技術(shù)、高精度的湍流模型、豐富的多相流模型等技術(shù)特點；軟件在求解界面流問題時，提供了VOF、Level set兩種模型，可應(yīng)用于類似潰壩這樣的界面流仿真分析中。

二維標準潰壩數(shù)值算例設(shè)置

圖1  流體區(qū)域設(shè)置

在VirtualFlow中網(wǎng)格設(shè)置為：

• 全局包圍盒 x方向上限1.61，y方向上限0.6，z方向上限0.15

• x方向網(wǎng)格數(shù)量 150，y方向網(wǎng)格數(shù)量 60，z方向網(wǎng)格數(shù)量 2

• 網(wǎng)格加密形式為區(qū)域加密

• 網(wǎng)格塊分布 x方向 8，y方向 1，z方向 1

圖2  網(wǎng)格設(shè)置

• 插入矩形體素，長0.01，寬0.6，高0.15

• 設(shè)置平移 x = 1m

• 設(shè)置為固體域，并指定運動速度為 y=3.46m/s

圖3  矩形體素

VirtualFlow中物理模型設(shè)置：

• 基本方程為 壓力、U速度、V速度

• 重力 y=-9.8，開啟靜水壓力項

• 多相流模型 Level-Set，開啟動態(tài)接觸角模型，表面張力設(shè)置0.072Nm^−1

• 相屬性中液相按照文獻給出設(shè)定，氣相選擇空氣

圖4 Level Set設(shè)置

計算結(jié)果對比

圖5  159.9ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖6  276.6ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖6  373.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖7  449..9ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖8  573.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖9  862.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖10  1023.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖11  1166.6ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖12  1320.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖13  1626.7ms實驗與VirtualFlow模擬對比

結(jié)果與討論

數(shù)值模擬的結(jié)果主要通過自由表面演變、水頭前進速度、水深變化以及流速分布等指標與實驗結(jié)果進行對比分析。一般而言，準確的二維數(shù)值模擬能夠較好地重現(xiàn)實驗中水流傳播的整體特征，包括水頭前沿傳播規(guī)律以及自由表面形態(tài)變化。

研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬通常能夠準確預(yù)測潰壩初期階段水頭的傳播速度和自由表面的劇烈變化。然而，在潰壩后期階段，由于流動變得更加復(fù)雜，如漩渦產(chǎn)生、水波疊加、破碎等現(xiàn)象的出現(xiàn)，數(shù)值模擬在捕捉復(fù)雜水面形態(tài)和細微結(jié)構(gòu)方面仍存在一定困難。

VirtualFlow在水利行業(yè)的工程應(yīng)用

  潰壩場景

溢洪道場景