潰壩水流數(shù)值模擬.pdf

1、潰壩作為一種突發(fā)性強和破壞性大的災(zāi)難，對人民生命財產(chǎn)構(gòu)成了極大的威脅。因而探討漬壩問題對于制定地區(qū)應(yīng)急預(yù)案，加強區(qū)域防洪減災(zāi)是十分必要的。潰壩問題計算是進行工程設(shè)計、預(yù)報預(yù)測和管理維護的基礎(chǔ)，潰壩計算的主要內(nèi)容是算出潰壩壩址的流量和水位過程線，以及下游洪水演進過程中沿程各處的流量、水位、流速、波前和洪峰到達的時間等。國內(nèi)外學(xué)者對這類問題做了大量研究，主要有理論研究、試驗研究和數(shù)值研究，而由于問題的復(fù)雜性，數(shù)值研究成為該類問題的主要研究手

2、段。
　　 近些年來，國內(nèi)對潰壩問題做了大量數(shù)值研究取得豐富的成果。潰壩水流一維數(shù)值模擬主要基于明渠水流運動的圣維南方程。由于它具有物理概念明確、計算簡單、計算結(jié)果相對可靠等優(yōu)點，目前仍在實際工程中廣泛應(yīng)用，尤其對于長河段、大尺度的模擬，但是其精度不足。二維數(shù)值模擬的研究發(fā)展迅速，二維模型主要基于二維淺水方程，數(shù)值計算方法包括差分法、有限體積法和有限元法等，二維模型以及一、二維相結(jié)合的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型也逐漸被應(yīng)用到工程實踐中。由于淺

3、水方程做了一定簡化和假設(shè)，其應(yīng)用也受到限制。與一、二維數(shù)學(xué)模型相比，對潰壩水流三維數(shù)值模擬的研究相對較少，研究成果也遠未達到實際應(yīng)用的要求，主要是由于三維模型存在模型復(fù)雜、計算量大和計算速度慢等缺點。由于商業(yè)軟件的出現(xiàn)，解決了相當(dāng)一部分困難，為三維潰壩的研究提供了便利。
　　 本文基于商業(yè)軟件FLUENT分別對二維和三維潰壩水流進行數(shù)值研究，目的在于在考察應(yīng)用N-S方程數(shù)值模擬潰壩水流的可靠性的同時，探討用物理實驗和理論分析不易

4、獲知的一些潰壩水流基本現(xiàn)象和規(guī)律。主要內(nèi)容如下:
　　 ①采用有試驗數(shù)據(jù)的二維模型模擬在層流和不同湍流模式下二維全潰壩洪水下泄過程，并將得到的各個時段的流場狀況與試驗結(jié)果相比較分析，找出與試驗數(shù)據(jù)吻合較好的湍流模式。
　　 ②采用與實驗數(shù)據(jù)吻合較好的湍流模式模擬二維部分潰壩洪水下泄過程，并分析得到的各個時段的流場狀況。
　　 ③采用有試驗數(shù)據(jù)的三維模型模擬在選定的湍流模式下三維潰壩洪水下泄過程，并將得到的各個時段

5、的流場狀況與試驗結(jié)果進行比較分析。
　　 通過上述數(shù)值模擬和分析，得到以下結(jié)論:
　　 ①在對試驗?zāi)Ｐ偷亩S全潰壩水流在不同的湍流模式下進行數(shù)值模擬中，在選取五種湍流模型和層流中k-ε模型得到的結(jié)果最好，洪水前峰隨時間到達的距離和試驗結(jié)果吻合，自由液面的演化過程也比較好的吻合。
　　 ②在采用k-ε模型對3個尺寸相同、潰壩程度不同即全潰壩，頂部三分之二潰潰壩和頂部三分之一潰潰壩的二維潰壩水流進行數(shù)值模擬中，得到了

6、結(jié)論:不同潰壩方式在所討論的時間內(nèi)都存在一段平穩(wěn)狀態(tài)；與全潰壩相比，部分潰壩液面變化復(fù)雜，并且上游形成的波形也不同；在相同的時間內(nèi)潰口的大小對推進的距離有影響，特別是在潰壩初期潰口的大小對推進距離影響較大，但到了后期三分之二潰壩水流前鋒與全潰壩水流前鋒推進距離相差甚少，這說明在剩余壩體低于一定的程度后，在后期對水流前鋒的推進距離沒有影響或者影響很小。
　　 ③在采用k-ε模型對三維潰壩水流進行數(shù)值模擬中，在定性上k-ε模型能夠比