三维溃坝洪水演进数值模拟

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大坝安全事关水库的防洪、发电、灌溉等效益，更关系着人民群众的生命财产安全。水库大坝在最大限度实现水资源综合利用的同时也存在风险，尤其是近年来全球极端事件频发，超标准突发性强暴雨时常威胁着大坝安全，溃坝事故的发生，会导致大量洪水以极高的速度冲向下游，对下游城镇带来毁灭性的灾难，造成生命财产的重大损失。

图1 泄洪中的三峡大坝

随着计算机和数值模拟技术的飞速发展，越来越多的模拟洪水演进过程的模型被提出，在资料缺乏地区和复杂地形条件下对溃决洪水的演进规律、淹没范围、淹没水深等要素进行有效的模拟可为水库防洪风险管理、灾害评估、抢险预案等提供重要的技术支持。

本案例采用实云流体仿真软件建立溃坝三维数值计算模型，采用IST网格技术及RANS 湍流模型、Level Set 界面捕捉模型，借助并行科技超算平台，对溃坝洪水漫过大坝向下游随时间演进过程进行计算分析。

网格及模型构建

对于复杂几何体的流场模拟，经常需要花费大量的时间精力进行网格生成。

实云流体仿真软件IST网格技术摒弃了传统网格技术中的长宽比、单元伸展和扭曲度等技术参数，导入CAD文件即可自动快速生成结构化网格，并可根据分析需求对模型分块和局部加密。

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

几何模型与网格划分如上图所示，通过三峡大坝及其下游地形高程图获取流道几何信息，然后可以通过建模软件建立三维流道的几何模型。获取地形或流道几何模型后，直接导入软件即可生成图示的高质量结构化网格。

数值模型及参数设置

算例采用 RANS 湍流模型和 Level Set 界面捕捉模型，精细地模拟了溃坝水流的复杂流动细节，由于采用了 Level Set 界面追踪方法，模拟结果能真实反映洪水界面的演变规律。

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是从8.01s到37.91s溃坝洪水漫过大坝向下游随时间演变的云图。

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为t=37.91s时的洪水总体压力和河湾距离河底6m、16m、26m水平截面的压力分布，其中白色箭头表示流速。

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为河湾距离河底6m水平截面不同时刻的压力分布。

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。

来源：多相流在线

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首次发布时间：2023-06-23