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積鼎CFD:基于Virtualflow在潰壩洪水演進(jìn)數(shù)值仿真分析
發(fā)布日期:2024-07-02
近期,多地遭受了前所未有的洪水侵襲,每一次災(zāi)害都如同警鐘長鳴,提醒我們水庫大壩安全的重要性,超標(biāo)準(zhǔn)暴雨的突襲讓大壩的安全防線面臨前所未有的考驗。面對這一挑戰(zhàn),CFD技術(shù)可為潰壩洪水的預(yù)測與管理開辟新的路徑。憑借CFD技術(shù)的數(shù)值模擬能力,能夠構(gòu)建出高精度的三維數(shù)值模型,計算預(yù)測洪水的演進(jìn)路徑、淹沒范圍以及可能造成的損害程度,從而深入探索流體運動的復(fù)雜機(jī)理,可為水庫防洪風(fēng)險管理、防洪減災(zāi)、搶險預(yù)案等提供重要的技術(shù)支持。本文采用積鼎流體仿真軟件 Virtualflow 建立潰壩三維數(shù)值計算模型,采用IST網(wǎng)格技術(shù)及 RANS 湍流模型、Level Set 界面捕捉模型,借助超算平臺來模擬潰壩后洪水的動態(tài)變化,對潰壩洪水漫過大壩向下游隨時間演進(jìn)過程進(jìn)行計算分析。
 

圖1 泄洪中的三峽大壩

 
 

網(wǎng)格及模型構(gòu)建

對于復(fù)雜幾何體的流場模擬,經(jīng)常需要花費大量的時間精力進(jìn)行網(wǎng)格生成。
 
積鼎流體仿真軟件IST網(wǎng)格技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)貼體網(wǎng)格方法,IST方法生成完全正交的六面體結(jié)構(gòu)化笛卡爾網(wǎng)格,導(dǎo)入CAD文件即可自動快速生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,并可根據(jù)分析需求對模型分塊和局部加密
IST網(wǎng)格技術(shù)為大壩和下游復(fù)雜區(qū)域地形網(wǎng)格的快速生成提供了非常友好的解決方案,軟件支持導(dǎo)入STL、STP、IGS等主流通用幾何格式文件,快速生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,可節(jié)省大量的前處理時間,而且更有利于并行運算。

圖2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

幾何模型與網(wǎng)格劃分如上圖所示,通過三峽大壩及其下游地形高程圖獲取流道幾何信息,可以通過建模軟件建立三維流道的幾何模型。獲取地形或流道幾何模型后,直接導(dǎo)入軟件即可生成圖示的高質(zhì)量結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

 

數(shù)值模型及參數(shù)設(shè)置

算例采用 RANS 湍流模型 Level Set 界面捕捉模型,精細(xì)地模擬了潰壩水流的復(fù)雜流動細(xì)節(jié),由于采用了 Level Set 界面追蹤方法,模擬結(jié)果能真實反映洪水界面的演變規(guī)律。與傳統(tǒng)此類問題仿真中常用的VOF界面追蹤方法相比,Level Set模型直接求解相交接面位置,在追蹤相交界面的計算方面具有更高精度。

初始時刻,大壩下游區(qū)域無水,上游形成一個巨大洪峰(如下圖所示)。由于洪峰水位高于大壩,運動到大壩處時漫過大壩向下流動形成潰壩洪水。將這個洪峰設(shè)置為速度入口邊界,下游出口和上方出口設(shè)置為壓力邊界,其余邊界為固體壁面條件。
 

圖3 初始時刻大壩下游區(qū)域無水、上游形成洪峰

 

計算結(jié)果分析

采用積鼎流體仿真軟件對三峽大壩潰壩進(jìn)行計算模擬,采用瞬態(tài)求解器,64核并行計算,計算得到三峽大壩潰壩時洪水漫過大壩向下游流動的過程,如圖4。

圖4 潰壩洪水計算結(jié)果

圖5是從8.01s到37.91s潰壩洪水漫過大壩向下游隨時間演變的云圖。

圖5 潰壩洪水隨時間演變

可以發(fā)現(xiàn),t=8.01s時洪水開始漫過大壩;t=15.41s時向下游流動的潰壩洪水遇到河岸阻攔并發(fā)生轉(zhuǎn)向;t=37.91s潰壩洪水沖過河岸繼續(xù)向下游傳播,同時存在沿河岸向高處蔓延現(xiàn)象。
圖6為t=37.91s時的洪水總體壓力和河灣距離河底6m、16m、26m水平截面的壓力分布,其中白色箭頭表示流速。

圖6 t=37.91s時的洪水總體壓力及壓力分布

由圖6可以清晰地觀察到潰壩洪水遇到河岸時,流速發(fā)生巨大變化的現(xiàn)象,雖然洪水在下游無障礙河道區(qū)的水平流速更大,但變化較小。洪水對河岸的壓力與水在該河岸的流速變化直接相關(guān)。計算結(jié)果中壓力分布與速度變化情況是一致,如圖所示,即洪水流速變化更大的河岸承受洪水的壓力也更大。
圖7為河灣距離河底6m水平截面不同時刻的壓力分布。

圖7 河灣距離河底6m水平截面不同時刻的壓力分布

 

由圖7可知,雖然由于洪水蔓延狀態(tài)不同河灣受到的壓力有所變化,但受到較大水壓和洪水沖擊的區(qū)域相對恒定,而這些河岸受到的沖擊經(jīng)過時間積累后更容易出現(xiàn)危險狀況??傮w來說,CFD流體分析有助于防范并削弱潰壩風(fēng)險以及洪水對下游造成危害。

 

積鼎科技自主研發(fā)的通用計算流體力學(xué)軟件VirtualFlow,具備行業(yè)領(lǐng)先的網(wǎng)格建模與求解技術(shù),和豐富的多相流物理模型及先進(jìn)的相變模型,可模擬單相和多相/多組分物質(zhì)流動、傳熱、界面追蹤、粒子追蹤、相變、水合物反應(yīng)等復(fù)雜問題,可為工業(yè)各行業(yè)用戶提供專業(yè)級流體仿真解決方案。

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