潰壩模擬的案例
VirtualFlow | 潰壩水動(dòng)力過程模擬，輔助洪災(zāi)應(yīng)急預(yù)案制定
一般而言，準(zhǔn)確的二維數(shù)值模擬能夠較好地重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中水流傳播的整體特征，包括水頭前沿傳播規(guī)律以及自由表面形態(tài)變化。
研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬通常能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(dòng)變得更加復(fù)雜，如漩渦產(chǎn)生、水波疊加、破碎等現(xiàn)象的出現(xiàn)，數(shù)值模擬在捕捉復(fù)雜水面形態(tài)和細(xì)微結(jié)構(gòu)方面仍存在一定困難。
VirtualFlow在水利行業(yè)的工程應(yīng)用
潰壩場(chǎng)景
溢洪道場(chǎng)景
VOF 模擬潰壩過程 ￥9
VOF 模擬潰壩過程
【CFD數(shù)值仿真算例】潰壩波數(shù)值仿真及其驗(yàn)證
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、傳播和消散過程。通過模擬潰壩波的演變過程，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CFD模擬了解物體受到的沖擊力。通過在模型中設(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)過程稱為網(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、矢量圖等。對(duì)于潰壩波的模擬，可以觀察波的形成、傳播、反射和消散過程。通過分析這些數(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 【CAE案例】堤壩潰壩分析
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：實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其余顏色線段：數(shù)值結(jié)果）
經(jīng)過參數(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）與數(shù)值縱向截面形狀結(jié)果（紅線）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程數(shù)值模擬結(jié)果
2. 造雪水庫案例
法電工程師通過科爾曼案例的結(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)的造雪水庫的潰壩模擬中。該水庫壩高11米，壩頂寬度3.5米，庫容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
造雪水庫潰壩過程的數(shù)值模擬結(jié)果如下圖所示。初始時(shí)造雪水庫有一個(gè)決堤口，但此時(shí)無水溢出。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，而水庫中的存水則持續(xù)流失。
圖6. 造雪水庫堤壩潰壩過程數(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，模擬了大壩潰決過程。
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【CAE案例】漫堤式潰壩模擬
這么做，合理簡(jiǎn)化了地理形態(tài)，規(guī)范了模擬情形，便于建模分析。以Verheij改進(jìn)型公式為代表的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算時(shí)需要很多潰堤時(shí)的相關(guān)信息，如土壤組成、土體侵蝕率、缺口持續(xù)時(shí)間、內(nèi)外水位差。現(xiàn)實(shí)預(yù)測(cè)中，這些數(shù)值的獲取將有較大的困難。對(duì)此，更加推薦分段函數(shù)式的經(jīng)驗(yàn)公式，只需要輸入少量參數(shù)，不需要指定最終缺口寬度或擴(kuò)大時(shí)間，在經(jīng)過校正調(diào)整后，也能發(fā)揮較好的預(yù)測(cè)效果。
09 小結(jié)
本文基于二維水動(dòng)力仿真中的潰壩模塊，設(shè)置了潰壩發(fā)生的條件，定義各經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出對(duì)應(yīng)缺口寬度的演化趨勢(shì)，以及缺口流量的變化過程，探究經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)的選定范圍。在二維水動(dòng)力模型里，研究了二維水動(dòng)力模擬的邊界設(shè)置，復(fù)現(xiàn)了潰壩過程，統(tǒng)計(jì)輸出了缺口的流量，并通過與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，分析了模擬結(jié)果，為洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理提供了關(guān)鍵參數(shù)。
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展開 OpenFoam水動(dòng)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(cè)中的潰壩的算例，計(jì)算了一個(gè)。
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(shù)，但是看起來效果并不太好，遠(yuǎn)不如粒子法計(jì)算得到的效果，不過雖然加密了網(wǎng)格數(shù)目，計(jì)算規(guī)模還是沒有之前使用粒子法的規(guī)模大。不過，估計(jì)規(guī)模同樣的情況下還是不如粒子法。如果粒子法的界面重構(gòu)技術(shù)能再給力一些，在計(jì)算這種自由面的問題時(shí)真的就會(huì)將FVM+VOF遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)潰壩過程進(jìn)行的數(shù)值模擬。
2）網(wǎng)格
整體網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量10萬。
圖1-1 網(wǎng)格模型
3）計(jì)算條件
出口靜壓：101325Pa；湍流模型：Standard k-epsilon；介質(zhì)：25°空氣，水密度997kg/m3。
二、網(wǎng) 格
1）新建工程
① 啟動(dòng)AICFD 2023R2；
② 選擇 文件>新建，新建工程，選擇工程文件路徑，設(shè)置工程文件名，點(diǎn)擊“確定”。
圖2-1 AICFD窗口
圖2-2 新建工程
2）網(wǎng)格導(dǎo)入
單擊菜單欄 網(wǎng)格>導(dǎo)入網(wǎng)格，選中mesh文件夾，導(dǎo)入外部生成的計(jì)算域網(wǎng)格。
圖2-3 幾何導(dǎo)入
3）網(wǎng)格質(zhì)量檢查
單擊菜單欄 網(wǎng)格>網(wǎng)格質(zhì)量，檢查網(wǎng)格質(zhì)量。
圖2-4 網(wǎng)格質(zhì)量檢查
三、求解設(shè)置
1）求解模型
雙擊 求解> 求解模型，設(shè)置湍流模型。本案例為瞬態(tài)計(jì)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(shè)置為2。
展開 DualSPHysics潰壩及水流沖擊模擬
潰壩仿真SPH方法的一個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景，一個(gè)特定形狀的水域突然移除側(cè)邊界形成的水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)都可以成為潰壩。采用DualSPHysics開源代碼模擬了兩個(gè)潰壩的算例。簡(jiǎn)單幾何模型在DualSPHysics中是通過參數(shù)化建模來實(shí)現(xiàn)的，DualSPHysics還支持導(dǎo)入幾何模型，幾何模型可以采用SPH粒子或DEM粒子進(jìn)行離散。
兩個(gè)算例動(dòng)圖如下（可能是圖片文件比較大，沒有直接展示，點(diǎn)進(jìn)去可以看）：
house.gif
dambreak.gif
VirtualFlow算例 | 水庫大壩潰壩數(shù)值模擬
為充分利用水資源,人們?cè)谔烊缓恿魃闲藿怂畮齑髩?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，水庫大壩對(duì)人類社會(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)損失將無法估計(jì)。
潰壩問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)長方形液塊位于計(jì)算域一角，計(jì)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(dòng)并沖擊到一側(cè)壁面，此過程中發(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)算域的長為3.22m，高1.8m，水相的長為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(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(shù)設(shè)置和停止條件見表 1.4。
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【CFD教程】3分鐘學(xué)會(huì)兩相流非穩(wěn)態(tài)水壩潰堤仿真
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。
本案例需要的輸入文件和參數(shù)信息如下表：
網(wǎng)格文件
Dambreak.msh
網(wǎng)格類型
整體網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量10萬
介質(zhì)
25°空氣，水密度997kg/m^3
湍流模型
Standard k-epsilon
邊界條件
出口靜壓：101325Pa
圖1 網(wǎng)格模型
二、網(wǎng)格處理
1. 新建工程
a. 啟動(dòng)AICFD 2024R1；
圖2 AICFD窗口
b.
積鼎CFD：基于Virtualflow在潰壩洪水演進(jìn)數(shù)值仿真分析
面對(duì)這一挑戰(zhàn)，CFD技術(shù)可為潰壩洪水的預(yù)測(cè)與管理開辟新的路徑。憑借CFD技術(shù)的數(shù)值模擬能力，能夠構(gòu)建出高精度的三維數(shù)值模型，計(jì)算預(yù)測(cè)洪水的演進(jìn)路徑、淹沒范圍以及可能造成的損害程度，從而深入探索流體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜機(jī)理，可為水庫防洪風(fēng)險(xiǎn)管理、防洪減災(zāi)、搶險(xiǎn)預(yù)案等提供重要的技術(shù)支持。<strong>本文采用積鼎流體仿真軟件 Virtualflow 建立潰壩三維數(shù)值計(jì)算模型，采用IST網(wǎng)格技術(shù)及 RANS 湍流模型、Level Set 界面捕捉模型，借助超算平臺(tái)來模擬潰壩后洪水的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)潰壩洪水漫過大壩向下游隨時(shí)間演進(jìn)過程進(jìn)行計(jì)算分析。</strong></p><p><br></p><p class="ql-align-center"><img src="https://bexp.135editor.com/files/users/1445/14451217/202407/3NprHhP3_zU79.gif?auth_key=1720367999-0-0-3ea1f1420fcac9797feaaaf628d2de5d&"></p><p class="ql-align-center">圖1 泄洪中的三峽大壩</p><p><br></p><h2><strong>網(wǎng)格及模型構(gòu)建</strong></h2><p>對(duì)于復(fù)雜幾何體的流場(chǎng)模擬，經(jīng)常需要花費(fèi)大量的時(shí)間精力進(jìn)行網(wǎng)格生成。</p><p>積鼎流體仿真軟件IST網(wǎng)格技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)貼體網(wǎng)格方法，IST方法生成<strong>完全正交的六面體結(jié)構(gòu)化笛卡爾網(wǎng)格</strong>，導(dǎo)入CAD文件即可自動(dòng)快速生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并可根據(jù)分析需求對(duì)<strong>模型分塊和局部加密</strong>。
展開 FLUENT多相流高級(jí)培訓(xùn)
Case Studies算例學(xué)習(xí)
水力旋流器顆粒分級(jí)的模擬
[p=25, null, left]
[p=25, null, left]第三章 VOF 模型
1. Introduction to VOF model VOF模型簡(jiǎn)介
2. physical charater by VOF model VOF 模型特定物理特征
3. surface tension，contact angle表面張力，接觸角
4. 求解技巧，算法等
5. Tutorial 算例
潰壩過程模擬/噴墨打印機(jī)打印頭墨滴流動(dòng)過程模擬
[p=25, null, left]
第四章 Mixture 模型
1. Introduction to Mixture model Mixture模型簡(jiǎn)介
2. cavation model 氣蝕模型
3. draft velocity 滑移速度
4. Exercise 算例學(xué)習(xí)
空化模擬
第五章 Euler 模型
1.
展開 水和環(huán)境仿真分析
FLOW3D水利和環(huán)境仿真解決方案
FLOW-3D 提供了對(duì)水和環(huán)境行業(yè)面臨的廣泛?jiǎn)栴}的準(zhǔn)確模擬，從大型水力發(fā)電項(xiàng)目到小型市政污水處理系統(tǒng)。仿真分析可以在評(píng)估設(shè)計(jì)方案時(shí)發(fā)揮至關(guān)重要的作用，有助于降低復(fù)雜性并將重點(diǎn)放在優(yōu)化解決方案上。通過使用仿真分析工具從不同的設(shè)計(jì)方案中獲得的寶貴經(jīng)驗(yàn)，可以節(jié)省大量的時(shí)間和金錢。
FLOW3D能夠完成的仿真課題：
截流模型模擬仿真
污染仿真
潰壩洪水模擬仿真
海嘯仿真
滑坡涌浪模擬仿真
下水道設(shè)計(jì)模擬仿真
沉沙池模擬仿真
橋梁沖刷模擬
灌溉與排水工程模擬仿真
水電站流體力學(xué)仿真
泥沙工程設(shè)計(jì)模擬仿真
沉積物沖刷模擬
引水渠道及前池設(shè)計(jì)模擬仿真
湍流分析
水工隧洞設(shè)計(jì)模擬仿真
空氣夾帶分析
導(dǎo)流和截流模型
數(shù)值模擬橋梁崩潰
水閘設(shè)計(jì)模擬仿真
雪崩模擬
溢洪道設(shè)計(jì)模擬仿真
泥石流模擬
溢洪道液壓評(píng)估
水電站模擬
洪水模擬
污水處理仿真
魚道設(shè)計(jì)模擬仿真
水利工程虛擬仿真
FLOW3D成功案例：
查看和下載更多水利和環(huán)境實(shí)踐案例
使用FLOW-3D可以通過邊界條件的設(shè)定，解決復(fù)雜的實(shí)際問題。用戶不必花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行預(yù)處理（即設(shè)置問題），而是可以花時(shí)間應(yīng)用他們的工作結(jié)果。
展開 FLOW3D培訓(xùn)教程（官方培訓(xùn)教程）-水利工程篇（水利與環(huán)境）
「流量」「壓力」「壓參氣模擬」「沖刷仿真」
FLOW3D 用于水閘設(shè)計(jì)可計(jì)算放水系數(shù)及水量強(qiáng)度曲線「水閘設(shè)」「放水系數(shù)」「水量強(qiáng)度曲線」
FLOW3D可設(shè)定不同顏色于流過不同通道的流體.這功能可追蹤各通道進(jìn)來的流體在流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)分布。「流動(dòng)標(biāo)幟」
「FLOW 3D 溢洪道仿真」魚道設(shè)計(jì)方案
FLOW3D 應(yīng)用于改善現(xiàn)有水壩及其溢洪道的操作及維護(hù)是很有效的工具。 FLOW3D 常被用來評(píng)估各種簡(jiǎn)單或復(fù)雜溢洪道的水利效益。「溢洪道仿真」「水壩仿真」「水利工程」
FLOW3D 經(jīng)常被用來改善現(xiàn)有魚道的設(shè)計(jì)和根據(jù)不同的魚類物種的生理特點(diǎn)開發(fā)新的設(shè)計(jì)。「魚道的設(shè)計(jì)」
「FLOW 3D災(zāi)難仿真」泛洪仿真
FLOW3D高分辨率的淺水模型可以用來評(píng)估泛水情況。許多其他沿海的應(yīng)用模擬都是用FLOW3D 。「水災(zāi)仿真」「洪水泛濫仿真」「泛洪仿真」「水庫濁流」
山體滑坡所誘發(fā)波浪可能越過大壩，這種現(xiàn)象可以用FLOW-3D進(jìn)行研究。「山體滑仿真」
FLOW3D VOF模型已被證明能成功的模擬潰壩時(shí)瞬間的流況。可模擬各種潰壩情況瞬間接近壩體的流場(chǎng)，所以能預(yù)測(cè)流況史。「潰壩仿真」「瞬間壩體流場(chǎng)」
FLOW-3D 波浪產(chǎn)生器模型是以傅里葉級(jí)數(shù)為基礎(chǔ)延伸發(fā)展到所有周期性非線性波。「波浪模型」「非線性波」
河流動(dòng)力學(xué)涉及流量，輸沙和水路通道之間復(fù)雜的相互作用。這些相互作用的分析是許多河流管理的一個(gè)關(guān)鍵問題,這包括水路通道遷移，調(diào)寬和棲息地發(fā)展。FLOW-3D可用于協(xié)助處理河流動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性和預(yù)測(cè)河流行為。「河流動(dòng)力學(xué)」
「FLOW 3D水利與環(huán)境」
FLOW3D 被廣泛應(yīng)用于協(xié)助接觸池的設(shè)計(jì)。
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