研究背景與意義

潰壩現象是指大壩或堤壩結構因洪水、地震、人為破壞或結構本身缺陷等原因突然失效，壩內水體以劇烈的流態向下游泄流，往往造成災難性的后果。歷史上的潰壩事故，如1975年河南板橋水庫潰壩，造成嚴重的人員傷亡和財產損失。因此，深入研究潰壩過程中的水動力學特性，建立精確的數值模型，對于預測洪災、制定應急預案以及大壩的設計與安全評估具有重大意義。

隨著CFD的快速發展，數值模擬技術逐漸成為研究潰壩問題的主要手段之一。尤其是二維潰壩數值模擬，以其高效、經濟和安全等優勢，在研究潰壩流動特征、優化壩體設計以及制定安全標準方面發揮了關鍵作用。

標準潰壩實驗

標準潰壩實驗最早由Martin和Moyce（1952）提出，經過多年的不斷發展，逐漸成為檢驗數值模型準確性的經典算例之一。該實驗通常在一個長方形水槽內進行，水槽的一端安裝有一堵垂直擋板，將水槽分隔為上游和下游兩個區域，上游區域注滿水，下游區域保持干燥。實驗開始時迅速移除擋板，上游蓄積的水在重力作用下迅速流向下游，從而產生一個瞬態流動過程。

二維標準潰壩實驗一般采用透明材料制作水槽，以方便采用高速度相機和其他光學測量技術，如粒子圖像測速法（PIV），實時記錄水位變化和流場分布。這種實驗提供了豐富的流動細節和定量數據，包括水頭傳播速度、波面位置、水深變化和流體速度場等信息，這些都是檢驗數值模擬精度的重要依據。

數值模擬方法

數值模擬潰壩問題的方法眾多，其中常見的方法包括有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）和有限體積法（FVM）。目前，有限體積法以其良好的守恒性質和易于處理復雜邊界條件的優勢，成為主流的求解方法。Navier-Stokes方程描述了流體運動的基本規律，包括連續性方程和動量守恒方程。此外，由于潰壩問題涉及自由表面運動，常常需要引入專門的自由表面捕捉技術，如體積法（Volume of Fluid，VOF）或水平集法（Level Set Method）等。

積鼎自研通用計算流體力學分析軟件VirtualFlow基于FVM開發，具有全代碼自主可控、先進的網格技術、高精度的湍流模型、豐富的多相流模型等技術特點；軟件在求解界面流問題時，提供了VOF、Level set兩種模型，可應用于類似潰壩這樣的界面流仿真分析中。

二維標準潰壩數值算例設置

流體域按照標準潰壩實驗《Experimental investigation of dynamic pressure loads during dam break》中的實驗設置：流體域長1610mm，高600mm；初始液相區域為x≥1010&y≤300。

圖1 流體區域設置

在VirtualFlow中網格設置為：

• 全局包圍盒 x方向上限1.61，y方向上限0.6，z方向上限0.15
• x方向網格數量 150，y方向網格數量 60，z方向網格數量 2
• 網格加密形式為區域加密
• 網格塊分布 x方向 8，y方向 1，z方向 1

圖2 網格設置

潰壩模擬中的擋板通過VirtualFlow中的體素表示：

• 插入矩形體素，長0.01，寬0.6，高0.15
• 設置平移 x = 1m
• 設置為固體域，并指定運動速度為 y=3.46m/s

圖3 矩形體素

VirtualFlow中物理模型設置：

• 基本方程為 壓力、U速度、V速度
• 重力 y=-9.8，開啟靜水壓力項
• 多相流模型 Level-Set，開啟動態接觸角模型，表面張力設置0.072Nm^?1
• 相屬性中液相按照文獻給出設定，氣相選擇空氣

圖4 Level Set設置

計算結果對比

圖5 159.9ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖6 276.6ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖6 373.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖7 449..9ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖8 573.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖9 862.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖10 1023.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖11 1166.6ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖12 1320.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比

圖13 1626.7ms實驗與VirtualFlow模擬對比

結果與討論

數值模擬的結果主要通過自由表面演變、水頭前進速度、水深變化以及流速分布等指標與實驗結果進行對比分析。一般而言，準確的二維數值模擬能夠較好地重現實驗中水流傳播的整體特征，包括水頭前沿傳播規律以及自由表面形態變化。

研究發現，數值模擬通常能夠準確預測潰壩初期階段水頭的傳播速度和自由表面的劇烈變化。然而，在潰壩后期階段，由于流動變得更加復雜，如漩渦產生、水波疊加、破碎等現象的出現，數值模擬在捕捉復雜水面形態和細微結構方面仍存在一定困難。

VirtualFlow在水利行業的工程應用

      

 潰壩場景

溢洪道場景