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溃坝水流计算方法研究

金属矿山 2009年第8期38卷 23-25页

作者：魏勇许开立郑欣东北大学

开展溃坝水流计算对溃坝过程进行模拟,预测溃口发展及溃坝洪水过程线,对于大坝失事后果的评估,防洪减灾以及保护人民生命财产安全等具有重要意义。研究了常见溃坝水流计算方法,例如溃口平均宽度、坝址最大流量、坝址流量过程线等。最后... 详细信息

开展溃坝水流计算对溃坝过程进行模拟,预测溃口发展及溃坝洪水过程线,对于大坝失事后果的评估,防洪减灾以及保护人民生命财产安全等具有重要意义。研究了常见溃坝水流计算方法,例如溃口平均宽度、坝址最大流量、坝址流量过程线等。最后利用溃坝计算方法对某尾矿库溃坝砂流进行了预测。

关键词：溃坝水流计算方法溃口

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溃坝水流冲刷三维数值模拟

溃坝水流冲刷三维数值模拟

作者：周政杰浙江大学

学位级别：硕士

溃坝水流是一种由严重的自然灾害引发的破坏性水流,具有突发、来势汹涌的特征,对坝下游河道和两岸生命财产安全构成巨大威胁。早期关于溃坝的研究以理论和试验为主,随着计算机和CFD的发展,数值模拟已被证明是一种研究溃坝水流演进的有... 详细信息

溃坝水流是一种由严重的自然灾害引发的破坏性水流,具有突发、来势汹涌的特征,对坝下游河道和两岸生命财产安全构成巨大威胁。早期关于溃坝的研究以理论和试验为主,随着计算机和CFD的发展,数值模拟已被证明是一种研究溃坝水流演进的有效手段并被广泛运用。溃坝水流数值模拟目前以二维模型为主,但复杂地形上溃坝水流呈现明显的三维特性,三维数值模型更能反映溃坝水流的演进过程和冲刷机理。本文基于FLOW-3D建立定床和动床三维溃坝数值模型,用两个经典溃坝试验数据以验证模拟水动力和泥沙冲刷的有效性。本文将采用三维溃坝数值模型模拟突然扩张渠道的水流演进和冲刷,探讨试验中不易获知的溃坝水流现象。进而设置四种溃决模式考虑坝体溃决速度和溃口尺寸,分别模拟分析瞬时溃坝和逐渐溃坝、不同溃口宽度对溃坝水流演进和冲刷的影响。结果表明,坝体溃决速度对扩宽处床面影响较小,溃口宽度影响则较大;溃口宽度对口门处的影响较大,溃口越小,冲刷越严重。考虑障碍物对溃坝水流的影响,根据障碍物的数量及其排列位置,本文设置三种工况分别进行流场的分析。流场的计算结果表明,障碍物周围的水流结构复杂,存在一个复杂的“漩涡体系”;障碍物对上游水面变化的影响较小,但对侧向和后方水面变化影响较大;障碍物对其前后位置流速的影响要远远大于对两侧位置流速的影响,障碍物对其上游影响范围在1.5D(0.15m)左右,对下游影响范围在2D(0.20m)左右;障碍物间距对速度场演化有一定影响,其间距越小影响越大。间距小时有一个速度先增后减的低流速区,间距大时这个低流速区消失,障碍物附近的速度场分布与单障碍物时候接近。考虑障碍物对溃坝床面冲刷的影响,本文将对三种工况分别进行冲刷的分析。冲刷的计算结果表明,水流遇到障碍物时的传播过程是一个出现局部冲刷且冲坑逐渐拓宽和刷深的过程;冲刷主要发生在溃坝的初期阶段,随后冲刷坑的深度和范围逐渐稳定,仅在坑内局部变化,最后形成稳定床面;冲刷主要在障碍物前侧和两侧,最大冲刷位置在前侧,然后是左侧,最后是右侧,其中,初始时刻时两侧的冲刷强度要大于前侧;障碍物数量的增多和其间距的减小使冲刷更为显著。

关键词：溃坝水流三维溃坝数值模型溃决模式障碍物

SPH方法与LBM方法在溃坝水流模拟中的对比研究

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中国农村水利水电 2020年第10期 236-241页

作者：张力方张建民四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室成都610065

光滑粒子流体动力学(SPH)和格子玻尔兹曼方法(LBM)作为两种新兴的数值模拟手段,均能精确地捕捉带有自由面剧烈变形的流体问题。SPH法和LBM法分别被应用于模拟二维溃坝、三维溃坝水流碰撞固定障碍物以及可运动障碍物,并与试验监测数据对... 详细信息

光滑粒子流体动力学(SPH)和格子玻尔兹曼方法(LBM)作为两种新兴的数值模拟手段,均能精确地捕捉带有自由面剧烈变形的流体问题。SPH法和LBM法分别被应用于模拟二维溃坝、三维溃坝水流碰撞固定障碍物以及可运动障碍物,并与试验监测数据对比分析得出,SPH方法得到的自由面更加光滑、清晰,但会有个别粒子附着在壁面,压力值预测会出现波动,说明对于动量方程的黏性项和固壁边界条件需要进一步改善,与离散单元法(DEM)耦合能够准确模拟可运动障碍物的位移;LBM方法得到的自由面在大变形处较为凌乱、破碎,对于水位、压力的预测比较准确,但是对于刚体运动的模拟还需加强。此外,还对比了两种方法的计算效率,在相同CPU的条件下,LBM计算效率高于SPH方法,GPU并行能够极大缩短计算时间。

关键词：溃坝水流 SPH方法 LBM方法自由面数值模拟

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下游为干河床的溃坝水流数值模拟

水利水运工程学报 2003年第2期 18-23页

作者：王志刚汪德爟赖锡军周杰陈扬河海大学环境科学与工程学院南京210098

应用二阶TVD MacCormack格式计算了含间断波的二维浅水流动.模拟算例为下游是干河床、瞬间部分坝体溃决形成的溃坝水流运动.针对该格式,采用恰当的限制器使得解既不产生过大耗散,又具有高分辨率.

关键词： TVD—MacCormack格式干河床溃坝水流数值模拟

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基于有限体积法的二维溃坝水流模拟研究进展

水电能源科学 2011年第8期29卷 50-54页

作者：刘铁锤李光炽蔡华钦河海大学水文水资源学院江苏南京210098

回顾和总结了国内外基于有限体积法对溃坝水流模拟的研究进展,讨论了使用非结构网格的优劣,并介绍了法向数值通量计算格式的特点、守恒变量重构方法及限制器的应用,探讨了在溃坝模拟中的边界及地形问题,提出了进一步发展的趋势。

关键词：溃坝水流有限体积法间断研究进展综述

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基于溃坝水流的排水管道水力清淤试验研究

基于溃坝水流的排水管道水力清淤试验研究

作者：陈安超浙江大学

学位级别：硕士

排水系统是城市水环境建设和管理的重要设施。管道内的沉积物是影响其正常运行的最关键因素,如何有效的清除排水系统内的沉积物是城市水环境建设亟待解决的问题,水力清淤技术因具有经济有效的优势而被广泛使用。本文利用实验室水槽进行... 详细信息

排水系统是城市水环境建设和管理的重要设施。管道内的沉积物是影响其正常运行的最关键因素,如何有效的清除排水系统内的沉积物是城市水环境建设亟待解决的问题,水力清淤技术因具有经济有效的优势而被广泛使用。本文利用实验室水槽进行基于溃坝水流的水力清淤研究,主要研究内容包括以下几个方面:(1)利用实验室水槽进行溃坝水流试验,探究溃坝水流在下游有水和无水状态下的沿程水动力特性,包括水位、流速的测量以及床面剪切应力的计算,同时利用流体计算软件Fluent模拟试验过程。结果表明,在下游无水和有水的情况下存在较大的差异。在下游无水的情况下,沿程的最高水位呈非线性的减小。当下游有一定水位时,下游沿程的水位变化趋势一致以及最高水位相接近,数值模型也给出了与试验一致的结果。(2)利用实验室水槽,选用天然河沙作为沉积物。保持上游储水一定的情况下,在下游渠道内全长铺上一定厚度的沙子,进行连续冲刷完整清淤过程的试验。冲刷后进行沉积物剖面演变的测量和冲刷效率的计算。结果表明,将所铺沙子冲刷完全共需要37次开闸冲刷。沙堆前端会形成冲蚀坑,且在冲蚀坑之后沙床有一定的“增高”,沙床后端形成冲刷坡度。随着冲刷次数增加,整个沙床变薄并向后推进。首次冲刷时的冲刷量达到最大,随后有一稳定的冲刷作用,每次的冲刷质量保持相对稳定。(3)在实验室水槽下游铺设一定质量的沉积物,探究溃坝水流在明渠中沿程的冲刷能力并就储水水位、冲刷次数、储水形式等影响因素对冲刷效果的影响进行了评估。根据试验结果,提出了冲蚀率与储水水位、下游距闸门距离的经验公式。同时结果表明,冲刷历时与冲蚀率之间具有正相关性,而增大储水水位是最有效的提高冲刷能力的方法。本研究所得的结论对实际管渠水力清淤装置的设计具有指导意义,同时可为排水系统沉积物输运模型的建立提供试验依据和数据基础。

关键词：水力清淤溃坝水流管道沉积物床面剪切应力数值模拟冲蚀率

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SPH方法在溃坝水流模拟中的应用

SPH方法在溃坝水流模拟中的应用

作者：郑仙佩青海大学

学位级别：硕士

光滑粒子水动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法作为一种纯拉格朗日的无网格方法,避免了传统欧拉网格法中网格缠结和扭曲问题,在处理大变形自由表面和移动边界问题上具有独特优势,十分适合模拟溃坝水流。近年来,标准SPH方... 详细信息

光滑粒子水动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法作为一种纯拉格朗日的无网格方法,避免了传统欧拉网格法中网格缠结和扭曲问题,在处理大变形自由表面和移动边界问题上具有独特优势,十分适合模拟溃坝水流。近年来,标准SPH方法在水流和建筑物的相互作用、造波和波浪破碎问题上得到了良好的应用和发展,而SPH方法求解浅水波方程的研究还处于探索阶段。本文详细研究了SPH方法的基本思想和原理以及浅水波方程的SPH变分形式。为了处理任意复杂地形,使用SPH内插法离散河床倾斜摩擦源项。固体边界处理采用最新的修正虚拟边界粒子方法。同时为了提高计算精度和稳定性,减少数值振荡,在人工稳定项的基础上结合MUSCL重构。本文运用以上模型对平底河床上的二维溃坝问题进行了模拟,包括河床光滑(下游有水和无水)、河床粗糙和局部溃坝问题。计算结果和理论解、试验数据吻合良好,证明模型的可行性和准确性,并且能够有效处理大变形和干湿边界问题。分析了人工黏性和Lax-Friedrichs flux稳定项的区别,并且结合MUSCL重构后,结果能够得到极大改善。研究了粒子间距对计算精度的影响。针对溃坝水流遭遇障碍物的问题,模拟了河床存在摩擦且下游设置三种不同障碍物(三角形、矩形、宆包)的溃坝水流运动,模拟结果和实验数据吻合良好,溃坝波反射、绕射、叠加、水跃等细节得到真实呈现。最后以青海省互助县南门峡水库为例,对实际工程的溃坝模拟进行了初步尝试。后处理方面,自行编制了相应的Matlab后处理程序,实现数值模拟结果的可视化。

关键词： SPH 浅水波方程溃坝水流 MUSCL

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基于溃坝水流的水力清淤试验研究

科技通报 2019年第3期35卷 85-89,94页

作者：陈安超周永潮张仪萍浙江大学市政工程研究所杭州310058

基于溃坝水流的明渠水力清淤是排水系统管渠清淤经济且有效的方法,但如何进行水力清淤设计尚有待明确。本文利用实验室水槽大尺度模拟明渠,通过快速开启安装在水槽内的闸门形成溃坝水流,并用天然河沙模拟沉积物,开展了溃坝水流水力清淤... 详细信息

基于溃坝水流的明渠水力清淤是排水系统管渠清淤经济且有效的方法,但如何进行水力清淤设计尚有待明确。本文利用实验室水槽大尺度模拟明渠,通过快速开启安装在水槽内的闸门形成溃坝水流,并用天然河沙模拟沉积物,开展了溃坝水流水力清淤试验研究。探究溃坝水流在明渠中沿程的冲刷能力以及储水段储水水位、冲刷次数、储水形式对冲蚀率的影响。结果表明:增加储水段长度和冲刷次数均可有效提高冲蚀率,增大储水水位是增大冲蚀率最有效的方法。所得结论对实际管渠水力清淤装置的设计具有指导意义。

关键词：闸门明渠溃坝水流水力清淤冲蚀率

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基于二维浅水方程的溃坝水流数值模拟

西南民族大学学报(自然科学版) 2010年第3期36卷 441-445页

作者：武印娜林鹏智四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室

针对溃坝水流的特点,提出了一种基于二维浅水方程的数学模型,对溃坝水流进行数值模拟研究.模型采用二阶leap-frog格式和一阶迎风格式相结合的有限差分格式进行数值离散,计算网格采用时间和空间交错网格.在模型建立完善的基础上,对模型... 详细信息

针对溃坝水流的特点,提出了一种基于二维浅水方程的数学模型,对溃坝水流进行数值模拟研究.模型采用二阶leap-frog格式和一阶迎风格式相结合的有限差分格式进行数值离散,计算网格采用时间和空间交错网格.在模型建立完善的基础上,对模型进行一维和二维的数值验证,主要算例包括:下游有水的溃坝洪水理论解,带有三角形障碍物的一维溃坝模型试验以及二维溃坝数值模型试验.通过与理论解和实测值比较,结果表明模型具有良好的稳定性以及模拟间断水流和处理动边界问题的能力.

关键词：二维浅水方程溃坝水流数值模拟有限差分模型验证