基于双向流固耦合模型的溃坝水流数值模拟

弹性结构在运动流体的作用下会产生动力响应,对结构本身的安全性和耐久性都提出了更高的要求。使用开源计算流体力学软件OpenFOAM和开源计算固体力学软件CalculiX建立双向流固耦合模型,对溃坝水流冲击刚性结构和弹性结构的过程进行了数值模拟。首先对比了代数流体体积法和几何流体体积法在分析溃坝水流冲击刚性结构时的精度,结果表明几何流体体积法能够更为准确地模拟剧烈变化的自由液面。进一步采用几何流体体积法对溃坝水流冲击弹性结构的双向耦合问题进行了分析,弹性结构的动力响应和自由液面的分析结果与前人的数值结果吻合良好,表明目前的数值模型可以应用到实际工程的流固耦合分析中。

基于Godunov格式的溃坝水流数学模型

为了更好地把握溃坝洪水风险,减小因溃坝洪水而造成的人员生命和财产损失,建立了基于Godunov格式的一维、二维溃坝水流耦合数学模型。一维溃坝水流模型采用HLL格式的有限体积法求解,二维溃坝水流模型采用基于非结构网格的Roe格式离散求解,在一维、二维模型的链接处采用重叠计算区域的方法实现一维模型和二维模型之间的水力要素信息交换。经弯道溃坝算例和断面突变溃坝算例验证,该耦合模型具有良好的可靠性和适用性,验证后的耦合模型为大尺度的溃坝水流数值模拟打下了基础。

动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型

现有大部分溃坝水流模型仅适用于模拟定床条件下的水流演进,但溃坝水流经常是在动床条件下演进。因此非常有必要同时模拟溃坝洪水演进时的水沙输移及床面冲淤过程。本文首先建立了动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型。该模型主要由二维浑水控制方程、非均匀沙不平衡输移方程及河床冲淤方程组成,采用水沙耦合解法以及基于无结构三角网格下的有限体积法离散。同时利用Roe-MUSCL方法以及时间方向的预估-校正格式,使模型在时空方向具有二阶计算精度。然后采用已有算例及水槽试验资料对模型进行了初步验证。最后采用该模型研究了均匀沙及非均匀沙床面对典型溃坝水流演进的影响。模拟结果表明溃坝水流在定床及动床条件下的演进过程明显不同。溃坝水流因流速大,床面变形较快,且床面冲淤速率可与水流变化速率相当,故需要采用浑水控制方程及耦合解法。

溃坝水流数值模拟研究进展

溃坝问题在水利工程的设计管理中具有重要地位,也是广大学者长期以来一直关注和研究的课题。回顾和总结了国内外对溃坝水流演进问题的研究进展:介绍了溃坝水流的数学模型及解析解法存在的困难,进而讨论了数值解法的最新进展;论述了求解溃坝水流一维问题的有限差分法、近似黎曼解的Godunov格式法、Boltzmann法、KFVS法和二维问题的TVD格式法、间断有限元法、有限体积法、特征线法,并分析了各种方法的适用范围和优缺点,及讨论了限制函数的使用;介绍了利用自由水面追踪方法计算溃坝水流的研究进展,并根据目前存在的不足和实际工程的需要,提出了进一步研究的方向和发展趋势。

溃坝水流计算方法研究

开展溃坝水流计算对溃坝过程进行模拟,预测溃口发展及溃坝洪水过程线,对于大坝失事后果的评估,防洪减灾以及保护人民生命财产安全等具有重要意义。研究了常见溃坝水流计算方法,例如溃口平均宽度、坝址最大流量、坝址流量过程线等。最后利用溃坝计算方法对某尾矿库溃坝砂流进行了预测。

局部断面收缩的溃坝水流三维数值模拟

为研究局部断面收缩对溃坝水流传播的影响,采用压力隐式算子分割法求解雷诺时均方程和RNG k-ε紊流模型,建立了模拟三维局部断面收缩情况下溃坝洪水演进过程的数学模型。采用有限体积法对溃坝水流的控制方程进行离散,利用流体体积函数法处理自由水面,物理变量采用交错网格布置,对局部断面收缩溃坝水流进行数值模拟计算,模拟结果与实体模型试验结果吻合较好。利用该模型研究了溃坝洪水负波的形成和传播过程,得到了负波形成和传播的规律以及溃坝水流的水位变化特征。

基于NASA-VOF模型的二维溃坝水流冲击丁坝流场模拟

建立了一种基于VOF自由面追踪方法的NASA-VOF数值模型,并运用该模型模拟溃坝水流的演进过程,将数值模拟结果与实验结果进行比较,结果表明NASA-VOF数值模型可良好地实现二维溃坝水流自由面的追踪.之后运用NASA-VOF模型数值模拟二维溃坝水流冲击丁坝流场,并与实验结果进行比较,结果表明NASA-VOF模型可较为精确地模拟二维溃坝水流冲击丁坝流场的演化过程.

基于光滑粒子流体动力学方法的溃坝水流模拟

受全球气候变暖的影响,由极端天气引发的类似溃坝等问题发生的概率大大增加,深入研究溃坝水流的水动力特性势在必行。在分析光滑粒子流体动力学基本原理的基础上,提出了一种改进的边界处理方法,即将接近壁面的流体视为层流,在耦合动力边界附近引入层流黏性近似边界层理论。采用该方法对溃坝水流进行数值模拟,将SPH数值模拟得到的外轮廓、自由液面高度以及压力与实验结果进行了比较和分析。结果表明:改进的边界处理方法较完整地得到了水流与壁面相互作用而产生的多种复杂的物理现象,其外部轮廓与实验非常吻合;自由表面融合过程中液面间冲击的能量耗散会导致融合后的液面高度存在一些差异;不同监测点处压力随时间的变化基本落在置信区间之内。数值模拟结果与实验结果吻合度较高,验证了改进方案的可靠性和计算结果的准确性。

下游为干河床的溃坝水流数值模拟

应用二阶TVD MacCormack格式计算了含间断波的二维浅水流动.模拟算例为下游是干河床、瞬间部分坝体溃决形成的溃坝水流运动.针对该格式,采用恰当的限制器使得解既不产生过大耗散,又具有高分辨率.

上下游初始水深比对溃坝水流传播的影响

溃坝水流的传播很大程度上受着上下游初始水深比的影响,过去对溃坝洪水的试验研究很少涉及到上下游初始水深比大于0.5时的情形,大部分研究的系列性不足且较少关注洪水波在上游库区中的运动。作者在一个大尺度水槽(长18 m、宽1 m、高1.09 m)中,通过波高仪的测量手段对上下游初始水深比0～0.9范围内的大坝瞬溃洪水进行了大量实验,获取了许多新发现。研究结果表明:当下游无水时,溃坝水流波前区域的水深会出现明显的雍高,波前运动速度也明显低于Ritter解;当上下游初始水深比大于等于0.3时,溃坝水流演进一段时间后,在靠近闸门处会出现以波浪形式向库区演进的额外负波,该负波不同于以往研究中定义的与上游静水区衔接的负波;当上下游初始水深比大于等于0.5时,溃坝水流运动的稳态区会出现明显的波动,水流以波浪形式向下游演进,其中第1个出现的波浪波峰高度最高且在演进的过程中基本维持高度不变,但产生的这些波浪数量有限,波浪演进过后的断面水深会逐渐恢复稳定,且稳定后的水深与Stoker解符合较好。在试验观测到的范围内,同一水深比时,与上游静水区衔接的负波波速在演进的过程中不断降低至稳定值,而第1个出现的额外负波波速不断增加;下游波前的演进速度基本维持不变,而下游第1个出现的波浪波速会增加;另外,随着水深比的增加,第1个出现的额外负波波速变大,而下游第1个出现的波浪波速变小。从两组不同上游水深在同一水深比时各水力要素的对比情况中发现瞬时溃坝水流的运动在湿底情况下依然具有很好的相似性。

基于有限体积法的二维溃坝水流模拟研究进展

回顾和总结了国内外基于有限体积法对溃坝水流模拟的研究进展,讨论了使用非结构网格的优劣,并介绍了法向数值通量计算格式的特点、守恒变量重构方法及限制器的应用,探讨了在溃坝模拟中的边界及地形问题,提出了进一步发展的趋势。

基于溃坝水流的水力清淤试验研究

基于溃坝水流的明渠水力清淤是排水系统管渠清淤经济且有效的方法,但如何进行水力清淤设计尚有待明确。本文利用实验室水槽大尺度模拟明渠,通过快速开启安装在水槽内的闸门形成溃坝水流,并用天然河沙模拟沉积物,开展了溃坝水流水力清淤试验研究。探究溃坝水流在明渠中沿程的冲刷能力以及储水段储水水位、冲刷次数、储水形式对冲蚀率的影响。结果表明:增加储水段长度和冲刷次数均可有效提高冲蚀率,增大储水水位是增大冲蚀率最有效的方法。所得结论对实际管渠水力清淤装置的设计具有指导意义。

SPH方法与LBM方法在溃坝水流模拟中的对比研究

光滑粒子流体动力学(SPH)和格子玻尔兹曼方法(LBM)作为两种新兴的数值模拟手段,均能精确地捕捉带有自由面剧烈变形的流体问题。SPH法和LBM法分别被应用于模拟二维溃坝、三维溃坝水流碰撞固定障碍物以及可运动障碍物,并与试验监测数据对比分析得出,SPH方法得到的自由面更加光滑、清晰,但会有个别粒子附着在壁面,压力值预测会出现波动,说明对于动量方程的黏性项和固壁边界条件需要进一步改善,与离散单元法(DEM)耦合能够准确模拟可运动障碍物的位移;LBM方法得到的自由面在大变形处较为凌乱、破碎,对于水位、压力的预测比较准确,但是对于刚体运动的模拟还需加强。此外,还对比了两种方法的计算效率,在相同CPU的条件下,LBM计算效率高于SPH方法,GPU并行能够极大缩短计算时间。

一种无干扰全流程水深测试方法及其在溃坝水流试验研究中的应用

基于MATLAB图像处理和计算机视觉模块函数库,开发了一种无干扰全流程水深测试方法:首先利用Camera Calibration工具箱标定摄像机以得到标定代码;其次,将记录水流运动的视频文件逐帧保存,利用标定代码消除每帧图片中由于广角镜头产生的桶形畸变,并对图片灰度化和二值化,同时加入中值滤波消除噪声;最后,读取二值图黑色像素点,将其转换为实际水深,从而获取其时空分布特性。运用该方法对强非恒定流–溃坝水流进行了试验测量,研究工况为上游水深500 mm,水深比(初始时刻下游与上游水深之比)为0～0.9。观测发现,溃坝水流可大致分为3种演进模式:简单波(水深比为0)、间断波(水深比为0～0.4)、起伏波(水深比为0.4～1.0)。分别选取3种典型工况(水深比为0、0.3、0.6)数据与波高仪测量结果进行了对比,结果表明,除上下游静水区二者数据吻合良好外,下游水面光滑平顺的渐变流区、激波前锋与下游出现强间断的激波区及水面起伏明显的起伏波区,波高仪较图像技术都有不同程度的壅高,水流演进越剧烈,壅高越明显。本文建立的测量方法无需在水流中安放测量仪器,具有无侵入性,对流场无干扰,不仅能够获取全流程水深数据、重现水流完整演进过程,还能很好地捕捉到诸如水流跃起、翻滚、波动、空气卷吸等流态细节。另外,试验中保持稳定光照及染色浓度,有助于降低图片噪点、改善图片质量,从而进一步提高测量结果的精度。

基于SWE-SPH的下游为湿河床的溃坝水流模拟

为了更好地模拟溃坝水流状态,避免有限元等网格法中的网格缠结和扭曲问题,本文将光滑粒子流体动力学法应用在浅水波方程中,建立二维溃坝水流数值模型,依次模拟瞬时全溃、非对称局部溃坝、对称溃坝3种工况下的溃坝水流流动情况,仿真模拟结果表明:该方法合理准确,揭示出了溃坝水流流动细节,且自由表面处理简单。

基于二维浅水方程的溃坝水流数值模拟

针对溃坝水流的特点,提出了一种基于二维浅水方程的数学模型,对溃坝水流进行数值模拟研究.模型采用二阶leap-frog格式和一阶迎风格式相结合的有限差分格式进行数值离散,计算网格采用时间和空间交错网格.在模型建立完善的基础上,对模型进行一维和二维的数值验证,主要算例包括:下游有水的溃坝洪水理论解,带有三角形障碍物的一维溃坝模型试验以及二维溃坝数值模型试验.通过与理论解和实测值比较,结果表明模型具有良好的稳定性以及模拟间断水流和处理动边界问题的能力.

溃坝水流作用下急弯河道泥沙输移数值模拟

将有限元特征分裂算法(CBS)应用于二维浅水控制方程的求解中,建立了模拟溃坝水流泥沙输移的数学模型。CBS算法在计算对流主导的问题时具有很好的稳定性与较高的精度,适用于处理溃坝水流流速大,水位、床面变化剧烈等问题。应用该模型对90°急弯河道全溃所致的水流运动进行了数值计算,并与试验资料进行了比较,证实了该方法的可靠性。最后用该模型模拟了180°弯道中溃坝水流在缓坡、陡坡时的洪水演进与泥沙输移。结果表明:模型能够较好地模拟溃坝水流运动,模拟结果符合水流泥沙运动规律。

基于修正控制方程的复杂边界溃坝水流数值模拟

建立了适应于结构网格的复杂边界浅水流动有限体积数学模型。基本控制方程采用对自由水面相对高度在水平向和垂直项进行分裂后形成的守恒性的修正二维浅水方程,在结构网格上采用中心型格式离散基本控制方程,采用能够有效捕捉激波的近似黎曼求解器HLLC计算界面通量,并使用坡度限制器重构界面两侧变量,利用MUSCL-Hancock在时间维上积分,使时空精度提升到二阶;分别采用中心差分格式和全隐式方法处理底坡项和阻力项,保证了模型稳定性。提出了局部修正底高和水位的干湿边界处理方法和基于B样条曲线的复杂边界处理方法,很好地处理了急变水流变化引起的干湿单元网格的动态交替和复杂边界处水流特性正确表达。最后通过算例证明了模型性能较好,具有推广价值。

基于2D FEVM-SWEs的局部底床变形溃坝水流模拟

为研究局部底床变形对溃坝波传播的影响,该文采用有限元法和有限体积法联合离散控制水流运动的二维浅水方程(2D FEVM-SWEs)建立了溃坝水流运动的数学模型。溃坝模型验证算例的结果与前人实体模型试验结果基本一致,利用该模型研究了局部底床变形条件下溃坝波传播的特性,结果表明该模型能够简便、快速、有效地模拟局部变形底床上的溃坝波传播过程,并且得到了不同时刻的溃坝水流水位变化以及反射波向上游的传播历程。

基于COBRAS模型的突缩断面溃坝水流特性研究

为研究局部断面突缩对溃坝水流演进的影响,采用有限体积法数值离散雷诺时均方程,并以COBRAS模型为基础建立了三维k-ε紊流数学模型,利用压力隐式算子分割法求解紊流方程,自由液面采用流体体积法追踪。通过经典溃坝物理模型试验资料对数学模型进行验证,在此基础上,数值模拟了局部断面突缩条件下的溃坝水流特性。计算结果表明:断面突缩引发了水流的强烈紊动,断面上游发生水跃、形成负波;溃坝水流在断面收缩处快速雍高,而后向上下游逐渐扩散;动压强在突缩断面的最大洪峰形成过程中达到了最大值,然后逐渐减小;总压强在突缩断面最大洪峰形成前后的一段时间内保持着较为稳定的最大值。