積鼎CFD：基于Virtualflow在潰壩洪水演進(jìn)數(shù)值仿真分析

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(yàn)。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(jì)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(yùn)動(dòng)的復(fù)雜機(jī)理，可為水庫防洪風(fēng)險(xiǎn)管理、防洪減災(zāi)、搶險(xiǎn)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(jì)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(tái)來模擬潰壩后洪水的動(dòng)態(tài)變化，對潰壩洪水漫過大壩向下游隨時(shí)間演進(jìn)過程進(jìn)行計(jì)算分析。

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(fèi)大量的時(shí)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(dòng)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(shí)間，而且更有利于并行運(yùn)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 湍流模型和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(dòng)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(shí)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(jì)算方面具有更高精度。

初始時(shí)刻，大壩下游區(qū)域無水，上游形成一個(gè)巨大洪峰(如下圖所示)。由于洪峰水位高于大壩，運(yùn)動(dòng)到大壩處時(shí)漫過大壩向下流動(dòng)形成潰壩洪水。將這個(gè)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(shí)刻大壩下游區(qū)域無水、上游形成洪峰

計(jì)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(jì)算模擬，采用瞬態(tài)求解器，64核并行計(jì)算，計(jì)算得到三峽大壩潰壩時(shí)洪水漫過大壩向下游流動(dòng)的過程，如圖4。

圖4 潰壩洪水計(jì)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(shí)間演變的云圖。

圖5潰壩洪水隨時(shí)間演變

可以發(fā)現(xiàn)，t=8.01s時(shí)洪水開始漫過大壩；t=15.41s時(shí)向下游流動(dòng)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(shí)存在沿河岸向高處蔓延現(xiàn)象。圖6為t=37.91s時(shí)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6t=37.91s時(shí)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(shí)，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(jì)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(shí)刻的壓力分布。

圖7?河灣距離河底6m水平截面不同時(shí)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(shí)間積累后更容易出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況?？傮w來說，CFD流體分析有助于防范并削弱潰壩風(fēng)險(xiǎn)以及洪水對下游造成危害。

積鼎科技自主研發(fā)的通用計(jì)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(dòng)、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(jí)流體仿真解決方案。

審核編輯 黃宇