為充分利用水資源,人們在天然河流上修建了水庫大壩,以達到調控洪水、發電、灌溉、供水、通航、旅游、漁業養殖等目的，水庫大壩對人類社會和經濟的發展起到了極其重要的推動作用，但是一旦由于某種原因發生潰壩失事，對下游所造成的生命和財產損失將無法估計。

潰壩問題研究主要以歷史資料統計分析及數值模擬為主，而潰壩在數值分析領域也成為了一個十分經典的案例，本文將使用積鼎 通用流體仿真軟件VirtualFlow 模擬二維的潰壩流動。

案例描述

本案例的場景是一個長方形液塊位于計算域一角，計算域頂部開口，左右和底部邊界為壁面，在重力的作用下液塊流動并沖擊到一側壁面，此過程中發生了復雜的流動。

案例詳情

1. 幾何建模

本案例為二維算例，其中計算域的長為3.22m，高1.8m，水相的長為1.2m，高為0.6m，位于計算域左下角。同時在計算域底部距左端2.725m處設置監測點H1監測自由液面的高程，具體的幾何和計算域如圖 1.1所示。

圖 1.1幾何與計算域示意圖

2. 網格劃分

網格劃分現有一套網格，網格一在x方向劃分成161份，增長率為1，尺寸上限為1，最小尺寸為0.02m；y方向劃分成90份，增長率為1，尺寸上限為1，最小尺寸為0.02m；z方向劃分為1份，增長率設為1，比尺上限設為1，最終網格總數為14490，具體參數可見表 1.1。網格一劃分的示意圖如圖 1.2所示。

表 1.1 網格信息表

注：括號內的數字分別對應網格劃分份數、增長率和比尺上限

圖 1.2 網格劃分示意圖

3. 參數設置

其中材料屬性如表 1.2所示

表 1.2 材料屬性

對于各邊界的類型和具體邊界條件如表 1.3所示。

表 1.3 邊界條件

求解過程的參數設置和停止條件見表 1.4。

表 1.4 求解參數和停止條件

初始場的設置如表 1.5所示。

表 1.5 初始場設置

多相流模型使用Level-set模型參數為默認值。

數值模擬結果

本次將選擇與Andrea Colagrossi和Maurizio Landrini[1]文章中使用SPH方法所做數值模擬的結果作對比如圖1.3所示。

圖 1.3 VirtualFlow與Andrea Colagrossi等人結果對比圖

將H1監測點的結果與Andrea Colagrossi等人SPH方法的結論和Zhou[2]等人的試驗測量值的對比結果如圖1.4所示。

圖 1.4 H1監測值對比圖

總結

VirtualFlow軟件準確模擬了二維潰壩水流的發展。從上述圖中可以看出VirtualFlow計算的自由液面與Colagrossi等人用SPH方法計算的結果吻合良好；并且H1監測點的監測數據也與SPH方法和試驗數據吻合，表明VirtualFlow處理計算界面流的可靠性。

參考文獻

[1] COLAGROSSI A, LANDRINI M. Numerical simulation of interfacial flows by smoothed particle hydrodynamics[J/OL]. Journal of Computational Physics, 2003, 191(2): 448-475. DOI:10.1016/S0021-9991(03)00324-3.

[2] ZHOU Z, DE KAT J, BUCHNER B. A nonlinear 3-D approach to simulate green water dynamics on deck[J]. 1999.