积鼎CFD：基于Virtualflow在溃坝洪水演进数值仿真分析

近期，多地遭受了前所未有的洪水侵袭，每一次灾害都如同警钟长鸣，提醒我们水库大坝安全的重要性，超标准暴雨的突袭让大坝的安全防线面临前所未有的考验。面对这一挑战，CFD技术可为溃坝洪水的预测与管理开辟新的路径。凭借CFD技术的数值模拟能力，能够构建出高精度的三维数值模型，计算预测洪水的演进路径、淹没范围以及可能造成的损害程度，从而深入探索流体运动的复杂机理，可为水库防洪风险管理、防洪减灾、抢险预案等提供重要的技术支持。本文采用积鼎流体仿真软件 Virtualflow 建立溃坝三维数值计算模型，采用IST网格技术及 RANS 湍流模型、Level Set 界面捕捉模型，借助超算平台来模拟溃坝后洪水的动态变化，对溃坝洪水漫过大坝向下游随时间演进过程进行计算分析。
 

网格及模型构建

对于复杂几何体的流场模拟，经常需要花费大量的时间精力进行网格生成。积鼎流体仿真软件IST网格技术摒弃了传统贴体网格方法，IST方法生成完全正交的六面体结构化笛卡尔网格，导入CAD文件即可自动快速生成结构化网格，并可根据分析需求对模型分块和局部加密。IST网格技术为大坝和下游复杂区域地形网格的快速生成提供了非常友好的解决方案，软件支持导入STL、STP、IGS等主流通用几何格式文件，快速生成结构化网格，可节省大量的前处理时间，而且更有利于并行运算。

图2 几何模型与网格划分

几何模型与网格划分如上图所示，通过三峡大坝及其下游地形高程图获取流道几何信息，可以通过建模软件建立三维流道的几何模型。获取地形或流道几何模型后，直接导入软件即可生成图示的高质量结构化网格。

数值模型及参数设置

算例采用 RANS 湍流模型和Level Set 界面捕捉模型，精细地模拟了溃坝水流的复杂流动细节，由于采用了 Level Set 界面追踪方法，模拟结果能真实反映洪水界面的演变规律。与传统此类问题仿真中常用的VOF界面追踪方法相比，Level Set模型直接求解相交接面位置，在追踪相交界面的计算方面具有更高精度。

初始时刻，大坝下游区域无水，上游形成一个巨大洪峰(如下图所示)。由于洪峰水位高于大坝，运动到大坝处时漫过大坝向下流动形成溃坝洪水。将这个洪峰设置为速度入口边界，下游出口和上方出口设置为压力边界，其余边界为固体壁面条件。

图3 初始时刻大坝下游区域无水、上游形成洪峰

计算结果分析

采用积鼎流体仿真软件对三峡大坝溃坝进行计算模拟，采用瞬态求解器，64核并行计算，计算得到三峡大坝溃坝时洪水漫过大坝向下游流动的过程，如图4。

图4 溃坝洪水计算结果

图5是从8.01s到37.91s溃坝洪水漫过大坝向下游随时间演变的云图。

图5 溃坝洪水随时间演变

可以发现，t=8.01s时洪水开始漫过大坝；t=15.41s时向下游流动的溃坝洪水遇到河岸阻拦并发生转向；t=37.91s溃坝洪水冲过河岸继续向下游传播，同时存在沿河岸向高处蔓延现象。图6为t=37.91s时的洪水总体压力和河湾距离河底6m、16m、26m水平截面的压力分布，其中白色箭头表示流速。

图6 t=37.91s时的洪水总体压力及压力分布

由图6可以清晰地观察到溃坝洪水遇到河岸时，流速发生巨大变化的现象，虽然洪水在下游无障碍河道区的水平流速更大，但变化较小。洪水对河岸的压力与水在该河岸的流速变化直接相关。计算结果中压力分布与速度变化情况是一致，如图所示，即洪水流速变化更大的河岸承受洪水的压力也更大。图7为河湾距离河底6m水平截面不同时刻的压力分布。

图7 河湾距离河底6m水平截面不同时刻的压力分布

由图7可知，虽然由于洪水蔓延状态不同河湾受到的压力有所变化，但受到较大水压和洪水冲击的区域相对恒定，而这些河岸受到的冲击经过时间积累后更容易出现危险状况。总体来说，CFD流体分析有助于防范并削弱溃坝风险以及洪水对下游造成危害。

积鼎科技自主研发的通用计算流体力学软件VirtualFlow，具备行业领先的网格建模与求解技术，和丰富的多相流物理模型及先进的相变模型，可模拟单相和多相/多组分物质流动、传热、界面追踪、粒子追踪、相变、水合物反应等复杂问题，可为工业各行业用户提供专业级流体仿真解决方案。

审核编辑 黄宇