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潰壩問題研究主要以歷史資料統(tǒng)計分析及數(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。

案例描述

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(shè)置監(jiān)測點H1監(jiān)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(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：括號內(nèi)的數(shù)字分別對應(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。

表 1.4 求解參數(shù)和停止條件

初始場的設(shè)置如表 1.5所示。

表 1.5 初始場設(shè)置

數(shù)值模擬結(jié)果

本次將選擇與Andrea Colagrossi和Maurizio Landrini[1]文章中使用SPH方法所做數(shù)值模擬的結(jié)果作對比如圖1.3所示。

t₀=1.66

t₀=2.43

t₀=4.81

t₀=5.72

t₀=6.17

t₀=7.37

圖 1.3 VirtualFlow與Andrea Colagrossi等人結(jié)果對比圖

將H1監(jiān)測點的結(jié)果與Andrea Colagrossi等人SPH方法的結(jié)論和Zhou[2]等人的試驗測量值的對比結(jié)果如圖1.4所示。

圖 1.4 H1監(jiān)測值對比圖

總結(jié)

VirtualFlow軟件準(zhǔn)確模擬了二維潰壩水流的發(fā)展。從上述圖中可以看出VirtualFlow計算的自由液面與Colagrossi等人用SPH方法計算的結(jié)果吻合良好；并且H1監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)也與SPH方法和試驗數(shù)據(jù)吻合，表明VirtualFlow處理計算界面流的可靠性。

參考文獻

[1] COLAGROSSI A, LANDRINI M. Numerical simulation of interfacial flows by smoothed particle hydrodynamics[J/OL]. Journal of Computational Physics, 2003, 191(2): 448-475. DOI:10.1016/S0021-9991(03)00324-3.

[2] ZHOU Z, DE KAT J, BUCHNER B. A nonlinear 3-D approach to simulate green water dynamics on deck[J]. 1999.