潰壩波模擬的案例
【CFD數值仿真算例】潰壩波數值仿真及其驗證
在潰壩波的模擬中，我們可以設置不同的邊界條件和初始條件，模擬潰壩波的形成、傳播和消散過程。通過模擬潰壩波的演變過程，可以得到不同時間點的流場分布，包括水流的速度、方向、密度等參數。這些信息可以幫助我們了解潰壩波的形成機制、演變規律和影響因素。
此外，還可以通過CFD模擬了解物體受到的沖擊力。通過在模型中設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。這些信息可以幫助我們評估潰壩波對特定物體的破壞程度和影響范圍。
潰壩波數值仿真及其驗證的一般步驟如下：
建立模型：首先，需要建立一個描述潰壩波的數學模型。這通常涉及到流體動力學的基本方程，如Navier-Stokes方程，用于描述流體的運動。模型中還需要考慮流體的物理性質，如密度、粘度等。
設置初始和邊界條件：初始條件描述了流體在開始時的狀態，例如在潰壩波的模擬中，可能需要設定一個靜止的水體或一個正在流動的水流作為初始狀態。邊界條件描述了模型的外圍環境如何與流體互動。例如，在潰壩波的模擬中，下游的邊界可能是開放的，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。
劃分網格：為了進行數值計算，需要將模型空間劃分為許多小的單元或“網格”。這個過程稱為網格生成。網格的質量和數量都會影響模擬的準確性。細密的網格可以捕捉到更多的細節，但也會增加計算的復雜性。
求解流體方程：求解流體方程在每個網格上的解,這通常涉及到時間步進方法，逐步計算流體在每個時間點的狀態。
后處理與分析：一旦求解完成，通常會提供工具來查看和分析結果。這包括速度場、壓力場、渦量等參數的云圖、流線、矢量圖等。對于潰壩波的模擬，可以觀察波的形成、傳播、反射和消散過程。通過分析這些數據，可以更好地理解潰壩波的動力學行為以及其影響因素。
評估沖擊力：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構的障礙物。
展開 OpenFoam水動力模擬之——潰壩
最近安裝了OpenFoam，了解了一些OpenFoam的使用方法，按照用戶手冊中的潰壩的算例，計算了一個。
OpenFoam在這種有自由面的問題中，采用了界面捕捉算法，可能是VOF或者Level Set技術，但是看起來效果并不太好，遠不如粒子法計算得到的效果，不過雖然加密了網格數目，計算規模還是沒有之前使用粒子法的規模大。不過，估計規模同樣的情況下還是不如粒子法。如果粒子法的界面重構技術能再給力一些，在計算這種自由面的問題時真的就會將FVM+VOF遠遠甩在身后了。
【AICFD案例操作】潰壩過程模擬
一、概 要
1）案例描述
本案例是針對潰壩過程進行的數值模擬。
2）網格
整體網格為六面體網格的非結構網格，網格數量10萬。
圖1-1 網格模型
3）計算條件
出口靜壓：101325Pa；湍流模型：Standard k-epsilon；介質：25°空氣，水密度997kg/m3。
二、網 格
1）新建工程
① 啟動AICFD 2023R2；
② 選擇 文件>新建，新建工程，選擇工程文件路徑，設置工程文件名，點擊“確定”。
圖2-1 AICFD窗口
圖2-2 新建工程
2）網格導入
單擊菜單欄 網格>導入網格，選中mesh文件夾，導入外部生成的計算域網格。
圖2-3 幾何導入
3）網格質量檢查
單擊菜單欄 網格>網格質量，檢查網格質量。
圖2-4 網格質量檢查
三、求解設置
1）求解模型
雙擊 求解> 求解模型，設置湍流模型。本案例為瞬態計算，采用不可壓縮流，湍流模型采用Standard k-epsilon模型，打開多相流模型，相設置為2。
展開 【CAE案例】漫堤式潰壩模擬
這么做，合理簡化了地理形態，規范了模擬情形，便于建模分析。以Verheij改進型公式為代表的經驗公式，計算時需要很多潰堤時的相關信息，如土壤組成、土體侵蝕率、缺口持續時間、內外水位差。現實預測中，這些數值的獲取將有較大的困難。對此，更加推薦分段函數式的經驗公式，只需要輸入少量參數，不需要指定最終缺口寬度或擴大時間，在經過校正調整后，也能發揮較好的預測效果。
09 小結
本文基于二維水動力仿真中的潰壩模塊，設置了潰壩發生的條件，定義各經驗公式，計算出對應缺口寬度的演化趨勢，以及缺口流量的變化過程，探究經驗公式參數的選定范圍。在二維水動力模型里，研究了二維水動力模擬的邊界設置，復現了潰壩過程，統計輸出了缺口的流量，并通過與現場實驗結果的比較，分析了模擬結果，為洪水風險評估和管理提供了關鍵參數。
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DualSPHysics潰壩及水流沖擊模擬
潰壩仿真SPH方法的一個典型應用場景，一個特定形狀的水域突然移除側邊界形成的水動力運動都可以成為潰壩。采用DualSPHysics開源代碼模擬了兩個潰壩的算例。簡單幾何模型在DualSPHysics中是通過參數化建模來實現的，DualSPHysics還支持導入幾何模型，幾何模型可以采用SPH粒子或DEM粒子進行離散。
兩個算例動圖如下（可能是圖片文件比較大，沒有直接展示，點進去可以看）：
house.gif
dambreak.gif
VirtualFlow算例 | 水庫大壩潰壩數值模擬
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。
展開 VirtualFlow | 潰壩水動力過程模擬，輔助洪災應急預案制定
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。
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一維線彈性應力波在有限長桿中傳播（一維應力波模擬仿真；應力波在桿中傳播；應力波基礎；固體中的應力波） ￥49.99
一維線彈性應力波在有限長桿中傳播（應力波基礎；固體中的應力波）
波動是一種常見的物質運動形式。波動是質點群聯合起來表現出的周而復始的運動現象。其成因是介質中質點受到相鄰質點的擾動而隨著運動，并將振動形式由遠及近的傳播開來，各質點間存在相互作用的力。在可變形固體介質中，對力學平衡狀態的擾動表現為質點速度的變化和相應的應力、應變狀態的變化。由于可變形介質的特性，當固體中的某些部分受到擾動因而處于力學上的不平衡狀態時，固體中的其他部分需要一定的時間才能感受到這種不平衡。當固體發生振動時，這種因應力和應變的變化而引起的擾動以波的形式在固體中傳播。
FRED應用：波片模擬
簡介
FRED具備通過光學系統模擬光線偏振的能力。光源可以是隨機偏振、圓偏振或線偏振。過濾或控制偏振的光學元件，如雙折射波片和偏振片，可以準確的模擬。FRED偏振模型中一些簡單例子包括吸收二向色性和線柵偏振片，方解石半波片，和馬耳他十字現象。這些特性的每一個都可以應用到更復雜的光學系統中，如液晶顯示（LCDs）、干涉儀和偏光顯微鏡。
波片模型
波片是由尋常光和非尋常光具有不同折射率值的材料制成。取向合適時，波片可以改變光線的一個偏振分量（相對于另一個），從而改變它的偏振態。四分之一波片使線偏振變成圓偏振，反之亦然。半波片使x偏振光變成y偏振光，或者右旋偏振光變成左旋偏振光。
從FRED系統的X偏振片示例開始，波片元件添加到了x偏振片后面（圖1）。模擬一個波片有兩種方法。最簡單的方法是指定一個1/2波片涂層到一個表面上。在FRED文件的Coatings分類下，用戶可以右鍵點擊Create a New Coating….在下拉菜單中，可以選擇“Polarizer/Waveplate Coating (Jones matrix)”。對于這個例子，涂層類型選擇“1/2 wave +45 Fast Axis”。這樣可以保證波片的晶軸相對于x偏振的入射光旋轉45度。
圖1.隨機偏振光通過x偏振片過濾。剩余的光線通過一個+45°1/2波片（黃色），它可以將x偏振光轉換成y偏振光。
模擬波片的一個更加精確的方法是指定一個自定義雙折射材料到一個桿狀元件中。在FRED文件的Material分類中，用戶可以右鍵點擊并選擇Create a New Material….在下拉菜單中，可以選擇“Sampled Birefringent and/or Optically Active Material”。
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FRED應用：波片模擬
FRED具備通過光學系統模擬光線偏振的能力。光源可以是隨機偏振、圓偏振或線偏振。過濾或控制偏振的光學元件，如雙折射波片和偏振片，可以準確的模擬。FRED偏振模型中一些簡單例子包括吸收二向色性和線柵偏振片，方解石半波片，和馬耳他十字現象。這些特性的每一個都可以應用到更復雜的光學系統中，如液晶顯示（LCDs）、干涉儀和偏光顯微鏡。
從FRED系統的X偏振片示例開始，波片元件添加到了x偏振片后面（圖1）。模擬一個波片有兩種方法。最簡單的方法是指定一個1/2波片涂層到一個表面上。在FRED文件的Coatings分類下，用戶可以右鍵點擊Create a New Coating….在下拉菜單中，可以選擇“Polarizer/Waveplate Coating (Jones matrix)”。對于這個例子，涂層類型選擇“1/2 wave +45 Fast Axis”。這樣可以保證波片的晶軸相對于x偏振的入射光旋轉45度
波片是由尋常光和非尋常光具有不同折射率值的材料制成。取向合適時，波片可以改變光線的一個偏振分量（相對于另一個），從而改變它的偏振態。四分之一波片使線偏振變成圓偏振，反之亦然。半波片使x偏振光變成y偏振光，或者右旋偏振光變成左旋偏振光。
展開 平面沖擊波原子模擬
平面沖擊波在樣品中傳播，波陣面后樣品原子無序化
結構地震波作用下的頻率響應模擬 ￥400
本案例仿真了一結構在一側受到低頻振動作用下的頻率響應結果，如圖1所示。
圖1 仿真結果
列車行駛過程中彈性波傳播模擬 ￥1500
<p>本案例基于COMSOL軟件模擬了一列車快速行駛過程中的產生的彈性波傳播過程，模擬結果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202208/1b65af3c364c4168aa00edc5f9e8d191.gif" alt="Untitled.gif"></p><p>感興趣的朋友，可下載模型源文件，歡迎合作交流</p><p><br></p>
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