潰壩
關(guān)注創(chuàng)建者：砥力 創(chuàng)建時(shí)間：2019-11-22
潰壩的視頻教程
XFLOW經(jīng)典案例-無(wú)網(wǎng)格粒子法LBM仿真
<11> 旋風(fēng)分離器 <12> 亥姆霍次共振器 <13> 上升的液泡 <14> 水滴皇冠潰壩 <15> 柔性桿潰壩-Abaqus耦合 <16> 指定運(yùn)動(dòng)的齒輪潤(rùn)滑 二、軟件版本說(shuō)明 本課程講解的軟件版本為XFLOW2022版本.
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潰壩的實(shí)例教程
圖2. 100秒時(shí)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值縱向剖面形狀結(jié)果的對(duì)比 （黑色方框線(xiàn)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其余顏色線(xiàn)段：數(shù)值結(jié)果）
經(jīng)過(guò)參數(shù)校準(zhǔn)后，工程師使用最終確認(rèn)的水沙模型模擬了完整的潰壩過(guò)程，圖3為不同時(shí)間的實(shí)驗(yàn)縱向截面形狀結(jié)果（黑線(xiàn)）與數(shù)值縱向截面形狀結(jié)果（紅線(xiàn)）的對(duì)比情況。總體而言，修改后的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間具有良好的一致性，證明了此二維水沙模型的可靠性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。
圖3. 不同時(shí)間的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值縱向剖面形狀結(jié)果的對(duì)比圖 （黑色：實(shí)驗(yàn)結(jié)果，紅色：數(shù)值結(jié)果）
此案例中二維數(shù)值水沙模型模擬得到的完整潰壩過(guò)程的結(jié)果如下圖所示。初始時(shí)為潰壩發(fā)生前的均質(zhì)土壩，1分鐘后觀察到堤壩出現(xiàn)決堤，蓄水流出，隨著時(shí)間的推移，決堤口逐漸擴(kuò)大，蓄水與堤壩沙土逐漸流失。
圖4. 科爾曼案例土壩潰壩過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果
2. 造雪水庫(kù)案例
法電工程師通過(guò)科爾曼案例的結(jié)果，確認(rèn)了二維水沙模型模擬潰壩的可靠性，于是將上個(gè)案例中得到的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于一個(gè)真實(shí)的造雪水庫(kù)的潰壩模擬中。該水庫(kù)壩高11米，壩頂寬度3.5米，庫(kù)容5000 m3，數(shù)值模型建模比例尺采取1:1，研究區(qū)域網(wǎng)格精度為0.5 m到10 m，最終得到網(wǎng)格數(shù)為50900個(gè)，如下圖所示。
圖5. 網(wǎng)格、初始引水渠的位置和邊界條件概覽
造雪水庫(kù)潰壩過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果如下圖所示。初始時(shí)造雪水庫(kù)有一個(gè)決堤口，但此時(shí)無(wú)水溢出。5分鐘后觀察到堤壩有水溢出并且決堤口有擴(kuò)大的傾向。隨著時(shí)間的推移，決堤口形狀逐漸保持穩(wěn)定，而水庫(kù)中的存水則持續(xù)流失。
圖6. 造雪水庫(kù)堤壩潰壩過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果
03 研究結(jié)論
綜上所述，法電工程師使用通用水動(dòng)力仿真軟件中二維水動(dòng)力模塊與泥沙輸運(yùn)模塊耦合建立二維水沙模型，模擬了大壩潰決過(guò)程。
展開(kāi) 研究背景與意義
潰壩現(xiàn)象是指大壩或堤壩結(jié)構(gòu)因洪水、地震、人為破壞或結(jié)構(gòu)本身缺陷等原因突然失效，壩內(nèi)水體以劇烈的流態(tài)向下游泄流，往往造成災(zāi)難性的后果。歷史上的潰壩事故，如1975年河南板橋水庫(kù)潰壩，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，深入研究潰壩過(guò)程中的水動(dòng)力學(xué)特性，建立精確的數(shù)值模型，對(duì)于預(yù)測(cè)洪災(zāi)、制定應(yīng)急預(yù)案以及大壩的設(shè)計(jì)與安全評(píng)估具有重大意義。
隨著CFD的快速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為研究潰壩問(wèn)題的主要手段之一。尤其是二維潰壩數(shù)值模擬，以其高效、經(jīng)濟(jì)和安全等優(yōu)勢(shì)，在研究潰壩流動(dòng)特征、優(yōu)化壩體設(shè)計(jì)以及制定安全標(biāo)準(zhǔn)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
標(biāo)準(zhǔn)潰壩實(shí)驗(yàn)
標(biāo)準(zhǔn)潰壩實(shí)驗(yàn)最早由Martin和Moyce（1952）提出，經(jīng)過(guò)多年的不斷發(fā)展，逐漸成為檢驗(yàn)數(shù)值模型準(zhǔn)確性的經(jīng)典算例之一。該實(shí)驗(yàn)通常在一個(gè)長(zhǎng)方形水槽內(nèi)進(jìn)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(gè)區(qū)域，上游區(qū)域注滿(mǎn)水，下游區(qū)域保持干燥。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)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(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)流動(dòng)過(guò)程。
二維標(biāo)準(zhǔn)潰壩實(shí)驗(yàn)一般采用透明材料制作水槽，以方便采用高速度相機(jī)和其他光學(xué)測(cè)量技術(shù)，如粒子圖像測(cè)速法（PIV），實(shí)時(shí)記錄水位變化和流場(chǎng)分布。這種實(shí)驗(yàn)提供了豐富的流動(dòng)細(xì)節(jié)和定量數(shù)據(jù)，包括水頭傳播速度、波面位置、水深變化和流體速度場(chǎng)等信息，這些都是檢驗(yàn)數(shù)值模擬精度的重要依據(jù)。
數(shù)值模擬方法
數(shù)值模擬潰壩問(wèn)題的方法眾多，其中常見(jiàn)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(zhì)和易于處理復(fù)雜邊界條件的優(yōu)勢(shì)，成為主流的求解方法。Navier-Stokes方程描述了流體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，包括連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程。
展開(kāi) 在潰壩波的模擬中，我們可以設(shè)置不同的邊界條件和初始條件，模擬潰壩波的形成、傳播和消散過(guò)程。通過(guò)模擬潰壩波的演變過(guò)程，可以得到不同時(shí)間點(diǎn)的流場(chǎng)分布，包括水流的速度、方向、密度等參數(shù)。這些信息可以幫助我們了解潰壩波的形成機(jī)制、演變規(guī)律和影響因素。
此外，還可以通過(guò)CFD模擬了解物體受到的沖擊力。通過(guò)在模型中設(shè)置不同的障礙物或建筑物，可以模擬它們受到的水流沖擊力和位移響應(yīng)。這些信息可以幫助我們?cè)u(píng)估潰壩波對(duì)特定物體的破壞程度和影響范圍。
潰壩波數(shù)值仿真及其驗(yàn)證的一般步驟如下：
建立模型：首先，需要建立一個(gè)描述潰壩波的數(shù)學(xué)模型。這通常涉及到流體動(dòng)力學(xué)的基本方程，如Navier-Stokes方程，用于描述流體的運(yùn)動(dòng)。模型中還需要考慮流體的物理性質(zhì)，如密度、粘度等。
設(shè)置初始和邊界條件：初始條件描述了流體在開(kāi)始時(shí)的狀態(tài)，例如在潰壩波的模擬中，可能需要設(shè)定一個(gè)靜止的水體或一個(gè)正在流動(dòng)的水流作為初始狀態(tài)。邊界條件描述了模型的外圍環(huán)境如何與流體互動(dòng)。例如，在潰壩波的模擬中，下游的邊界可能是開(kāi)放的，允許水流自由流出；而上游的邊界可能是固定的水位或流速。
劃分網(wǎng)格：為了進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，需要將模型空間劃分為許多小的單元或“網(wǎng)格”。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為網(wǎng)格生成。網(wǎng)格的質(zhì)量和數(shù)量都會(huì)影響模擬的準(zhǔn)確性。細(xì)密的網(wǎng)格可以捕捉到更多的細(xì)節(jié)，但也會(huì)增加計(jì)算的復(fù)雜性。
求解流體方程：求解流體方程在每個(gè)網(wǎng)格上的解,這通常涉及到時(shí)間步進(jìn)方法，逐步計(jì)算流體在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)。
后處理與分析：一旦求解完成，通常會(huì)提供工具來(lái)查看和分析結(jié)果。這包括速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、渦量等參數(shù)的云圖、流線(xiàn)、矢量圖等。對(duì)于潰壩波的模擬，可以觀察波的形成、傳播、反射和消散過(guò)程。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，可以更好地理解潰壩波的動(dòng)力學(xué)行為以及其影響因素。
評(píng)估沖擊力：為了了解物體受到的沖擊力，可以在模型中加入代表建筑物或其他結(jié)構(gòu)的障礙物。
展開(kāi) </p><p class="ql-align-center">圖4 潰壩洪水計(jì)算結(jié)果</p><div contenteditable="false" width="100%"><jsk id="C_Play00ab555b384371ef80130764a0ec0102" videoid="00ab555b384371ef80130764a0ec0102" duration="0秒"><img src="https://img.jishulink.com/static/web/youku-case.png"></jsk></div><p class="ql-align-center"><br></p><p class="ql-align-justify">圖5是從8.01s到37.91s潰壩洪水漫過(guò)大壩向下游隨時(shí)間演變的云圖。</p><p class="ql-align-center"><img src="https://bexp.135editor.com/files/users/1445/14451217/202407/OFe8QeXr_UNg6.png?auth_key=1720367999-0-0-339c5f46867d44c5a265d10cf68e9e5f&x-bce-process=image/auto-orient,o_1"></p><p class="ql-align-center">圖5 潰壩洪水隨時(shí)間演變</p><p>可以發(fā)現(xiàn)，t=8.01s時(shí)洪水開(kāi)始漫過(guò)大壩；t=15.41s時(shí)向下游流動(dòng)的潰壩洪水遇到河岸阻攔并發(fā)生轉(zhuǎn)向；t=37.91s潰壩洪水沖過(guò)河岸繼續(xù)向下游傳播，同時(shí)存在沿河岸向高處蔓延現(xiàn)象。</p><p>圖6為t=37.91s時(shí)的洪水總體壓力和河灣距離河底6m、16m、26m水平截面的壓力分布，其中白色箭頭表示流速。
展開(kāi) 為充分利用水資源,人們?cè)谔烊缓恿魃闲藿怂畮?kù)大壩,以達(dá)到調(diào)控洪水、發(fā)電、灌溉、供水、通航、旅游、漁業(yè)養(yǎng)殖等目的，水庫(kù)大壩對(duì)人類(lèi)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了極其重要的推動(dòng)作用，但是一旦由于某種原因發(fā)生潰壩失事，對(duì)下游所造成的生命和財(cái)產(chǎn)損失將無(wú)法估計(jì)。
潰壩問(wèn)題研究主要以歷史資料統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)值模擬為主，而潰壩在數(shù)值分析領(lǐng)域也成為了一個(gè)十分經(jīng)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(dòng)。
案例描述
本案例的場(chǎng)景是一個(gè)長(zhǎng)方形液塊位于計(jì)算域一角，計(jì)算域頂部開(kāi)口，左右和底部邊界為壁面，在重力的作用下液塊流動(dòng)并沖擊到一側(cè)壁面，此過(guò)程中發(fā)生了復(fù)雜的流動(dòng)。
案例詳情
1. 幾何建模
本案例為二維算例，其中計(jì)算域的長(zhǎng)為3.22m，高1.8m，水相的長(zhǎng)為1.2m，高為0.6m，位于計(jì)算域左下角。同時(shí)在計(jì)算域底部距左端2.725m處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)H1監(jiān)測(cè)自由液面的高程，具體的幾何和計(jì)算域如圖 1.1所示。
圖 1.1幾何與計(jì)算域示意圖
2. 網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分現(xiàn)有一套網(wǎng)格，網(wǎng)格一在x方向劃分成161份，增長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)率設(shè)為1，比尺上限設(shè)為1，最終網(wǎng)格總數(shù)為14490，具體參數(shù)可見(jiàn)表 1.1。網(wǎng)格一劃分的示意圖如圖 1.2所示。
表 1.1 網(wǎng)格信息表
注：括號(hào)內(nèi)的數(shù)字分別對(duì)應(yīng)網(wǎng)格劃分份數(shù)、增長(zhǎng)率和比尺上限
圖 1.2 網(wǎng)格劃分示意圖
3. 參數(shù)設(shè)置
其中材料屬性如表 1.2所示
表 1.2 材料屬性
對(duì)于各邊界的類(lèi)型和具體邊界條件如表 1.3所示。
表 1.3 邊界條件
求解過(guò)程的參數(shù)設(shè)置和停止條件見(jiàn)表 1.4。
展開(kāi) 
潰壩的相關(guān)專(zhuān)題、標(biāo)簽、搜索
潰壩的最新內(nèi)容
模型完整再現(xiàn)了結(jié)構(gòu)從微損傷萌生、宏觀裂縫擴(kuò)展直至最終失穩(wěn)潰壩的全過(guò)程損傷演化，并特別計(jì)入了壩體損傷后庫(kù)水壓力的持續(xù)作用機(jī)制。研究結(jié)果表明：壩頂區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)最薄弱部位，損傷破壞易在此處萌生并發(fā)展。爆炸當(dāng)量與爆炸深度的變化均顯著影響壩體損傷程度，其中在相同爆炸當(dāng)量下，增大爆炸深度可顯著減輕拱壩的損傷。拱壩在水下爆炸作用下的破壞過(guò)程可分為三個(gè)階段：i）初始損傷階段；ii）損傷發(fā)展階段；iii）潰壩階段。
拱壩在水下爆炸作用下的破壞過(guò)程可分為三個(gè)階段：i) 初始損傷階段；ii) 損傷發(fā)展階段；iii) 潰壩階段。本研究所建立的精細(xì)化模型及模擬方法，為深入理解低截面厚度拱壩在極端荷載下的失效機(jī)理及其安全防護(hù)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。
隨著CFD的快速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為研究潰壩問(wèn)題的主要手段之一。尤其是二維潰壩數(shù)值模擬，以其高效、經(jīng)濟(jì)和安全等優(yōu)勢(shì)，在研究潰壩流動(dòng)特征、優(yōu)化壩體設(shè)計(jì)以及制定安全標(biāo)準(zhǔn)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
標(biāo)準(zhǔn)潰壩實(shí)驗(yàn)
標(biāo)準(zhǔn)潰壩實(shí)驗(yàn)最早由Martin和Moyce（1952）提出，經(jīng)過(guò)多年的不斷發(fā)展，逐漸成為檢驗(yàn)數(shù)值模型準(zhǔn)確性的經(jīng)典算例之一。
圖 4.1臥式三相分離器模擬
3.2 水利工程
潰壩是一種常見(jiàn)的水利工程災(zāi)害，當(dāng)壩體突然破裂時(shí)，大量的水體快速下泄，會(huì)對(duì)下游地區(qū)造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害和人員傷亡。利用Level-set方法可以對(duì)潰壩過(guò)程中水流的演化過(guò)程進(jìn)行模擬，包括壩體破裂后的流體運(yùn)動(dòng)、水面形狀的變化以及流體與河床、障礙物等邊界的相互作用等，從而為潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、洪水預(yù)警和防洪措施制定提供重要的依據(jù)。
</p><p>該案例比較簡(jiǎn)單，但通過(guò)該案例可延伸到潰壩、泄洪，海洋平臺(tái)浮動(dòng)等較為復(fù)雜的仿真問(wèn)題。</p><p><strong>1 前處理設(shè)置</strong></p><p>采用了Fluent meshing進(jìn)行前處理，采用多面體的方法對(duì)體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。
積鼎水動(dòng)力仿真軟件：助力水利水務(wù)行業(yè)設(shè)計(jì)及運(yùn)維
1、高效預(yù)測(cè)，防患于未然
洪水、潰壩、泥石流等自然災(zāi)害是水利行業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)之一。積鼎水動(dòng)力仿真軟件通過(guò)先進(jìn)的水動(dòng)力模型，能夠?qū)雍樗M(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、預(yù)警、預(yù)演和預(yù)案制定。該軟件動(dòng)態(tài)模擬河流水位、流速等關(guān)鍵參數(shù)的變化，為防洪減災(zāi)提供科學(xué)決策支持。
………… 273
問(wèn)題 28：流場(chǎng)中非定常流體與結(jié)構(gòu)的相互作用……………………………… 288
問(wèn)題 29：用 ADINA-M 建模分析殼-殼交叉結(jié)構(gòu)……………………………… 296
問(wèn)題 30：臺(tái)階管道的流固耦合分析－勢(shì)流體………………………………… 302
問(wèn)題 31：臺(tái)階擴(kuò)散流動(dòng)………………………………………………………… 311
問(wèn)題 32：用 VOF 法分析潰壩
水災(zāi)高發(fā)期，咱們就聊聊潰壩的問(wèn)題。
當(dāng)?shù)虊纬惺懿蛔∷膲毫μ螅瑝蝺?nèi)的水就會(huì)在重力作用下噴涌而出。湍急的水流對(duì)尚未坍塌的堤壩產(chǎn)生沖刷，造成缺口逐漸擴(kuò)大。
所以在潰壩初期，保護(hù)缺口不擴(kuò)大是重中之重。這在水利行業(yè)有個(gè)專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)，叫“裹頭”,也就是對(duì)缺口兩側(cè)尚未坍塌的部位采取防沖保護(hù)措施。
潰壩問(wèn)題研究主要以歷史資料統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)值模擬為主，而潰壩在數(shù)值分析領(lǐng)域也成為了一個(gè)十分經(jīng)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(dòng)。
案例描述
本案例的場(chǎng)景是一個(gè)長(zhǎng)方形液塊位于計(jì)算域一角，計(jì)算域頂部開(kāi)口，左右和底部邊界為壁面，在重力的作用下液塊流動(dòng)并沖擊到一側(cè)壁面，此過(guò)程中發(fā)生了復(fù)雜的流動(dòng)。
案例詳情
1.
一、案例背景
潰壩指的是水壩突然損壞，壩后水體流出形成洪水的過(guò)程。潰壩模擬可對(duì)水壩的設(shè)計(jì)、管理及災(zāi)后救援提供參考。
