三维溃坝洪水演进数值模拟
图1 泄洪中的三峡大坝
网格及模型构建
IST网格技术为大坝和下游复杂区域地形网格的快速生成提供了非常友好的解决方案，只需导入STL几何文件即可快速生成结构化网格，节省大量的前处理时间，而且更有利于并行运算。
图2 几何模型与网格划分
数值模型及参数设置
网格设置
计算域：200x162x105(m)
网格：143x81x53
模型设置
湍流模型：RANS
多相流模型：Level Set
材料设置
液相：水
气相：空气
参数设置
表面张力：0.072(N/m)
重力：9.81(m/s2)
初始时刻，大坝下游区域无水，上游形成一个巨大洪峰(如下图所示)。由于洪峰水位高于大坝，运动到大坝处时漫过大坝向下流动形成溃坝洪水。将这个洪峰设置为速度入口边界，下游出口和上方出口设置为压力边界，其余边界为固体壁面条件。
图3 初始时刻大坝下游区域无水、上游形成洪峰
计算结果分析
采用实云流体仿真软件对三峡大坝溃坝进行计算模拟，算例网格总数为62万，采用瞬态求解器，64核并行计算约40s，CPU耗时为24小时，计算得到三峡大坝溃坝时洪水漫过大坝向下游流动的过程如图4。
图4 溃坝洪水计算结果
图5 溃坝洪水随时间演变
可以发现，t=8.01s时洪水开始漫过大坝；t=15.41s时向下游流动的溃坝洪水遇到河岸阻拦并发生转向；t=37.91s溃坝洪水冲过河岸继续向下游传播，同时存在沿河岸向高处蔓延现象。
图6 t=37.91s时的洪水总体压力及压力分布
由图6可以清晰地观察到溃坝洪水遇到河岸时，流速发生巨大变化的现象，虽然洪水在下游无障碍河道区的水平流速更大，但变化较小。洪水对河岸的压力与水在该河岸的流速变化直接相关。计算结果中压力分布与速度变化情况是一致，如图所示，即洪水流速变化更大的河岸承受洪水的压力也更大。
图7 河湾距离河底6m水平截面不同时刻的压力分布
由图7可知，虽然由于洪水蔓延状态不同河湾受到的压力有所变化，但受到较大水压和洪水冲击的区域相对恒定，而这些河岸受到的冲击经过时间积累后更容易出现危险状况。总体来说，CFD流体分析有助于防范并削弱溃坝风险以及洪水对下游造成危害。
