潰壩水流數(shù)值模擬.pdf

1、潰壩作為一種突發(fā)性強(qiáng)和破壞性大的災(zāi)難，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成了極大的威脅。因而探討漬壩問(wèn)題對(duì)于制定地區(qū)應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)區(qū)域防洪減災(zāi)是十分必要的。潰壩問(wèn)題計(jì)算是進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)和管理維護(hù)的基礎(chǔ)，潰壩計(jì)算的主要內(nèi)容是算出潰壩壩址的流量和水位過(guò)程線，以及下游洪水演進(jìn)過(guò)程中沿程各處的流量、水位、流速、波前和洪峰到達(dá)的時(shí)間等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這類(lèi)問(wèn)題做了大量研究，主要有理論研究、試驗(yàn)研究和數(shù)值研究，而由于問(wèn)題的復(fù)雜性，數(shù)值研究成為該類(lèi)問(wèn)題的主要研究手

2、段。
　　 近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)潰壩問(wèn)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(yùn)動(dòng)的圣維南方程。由于它具有物理概念明確、計(jì)算簡(jiǎn)單、計(jì)算結(jié)果相對(duì)可靠等優(yōu)點(diǎn)，目前仍在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用，尤其對(duì)于長(zhǎng)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(jì)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(shí)踐中。由于淺

3、水方程做了一定簡(jiǎn)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(duì)潰壩水流三維數(shù)值模擬的研究相對(duì)較少，研究成果也遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求，主要是由于三維模型存在模型復(fù)雜、計(jì)算量大和計(jì)算速度慢等缺點(diǎn)。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(duì)二維和三維潰壩水流進(jìn)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(shí)，探討用物理實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(guò)程，并將得到的各個(gè)時(shí)段的流場(chǎng)狀況與試驗(yàn)結(jié)果相比較分析，找出與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好的湍流模式。
　　 ②采用與實(shí)驗(yàn)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(guò)程，并分析得到的各個(gè)時(shí)段的流場(chǎng)狀況。
　　 ③采用有試驗(yàn)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(guò)程，并將得到的各個(gè)時(shí)段

5、的流場(chǎng)狀況與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。
　　 通過(guò)上述數(shù)值模擬和分析，得到以下結(jié)論:
　　 ①在對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷亩S全潰壩水流在不同的湍流模式下進(jìn)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(shí)間到達(dá)的距離和試驗(yàn)結(jié)果吻合，自由液面的演化過(guò)程也比較好的吻合。
　　 ②在采用k-ε模型對(duì)3個(gè)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(jìn)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(shí)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(shí)間內(nèi)潰口的大小對(duì)推進(jìn)的距離有影響，特別是在潰壩初期潰口的大小對(duì)推進(jìn)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(jìn)距離相差甚少，這說(shuō)明在剩余壩體低于一定的程度后，在后期對(duì)水流前鋒的推進(jìn)距離沒(méi)有影響或者影響很小。
　　 ③在采用k-ε模型對(duì)三維潰壩水流進(jìn)行數(shù)值模擬中，在定性上k-ε模型能夠比