潰壩水流沖刷三維數(shù)值模擬.pdf

1、潰壩水流是一種由嚴(yán)重的自然災(zāi)害引發(fā)的破壞性水流，具有突發(fā)、來勢(shì)洶涌的特征，對(duì)壩下游河道和兩岸生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅。早期關(guān)于潰壩的研究以理論和試驗(yàn)為主，隨著計(jì)算機(jī)和CFD的發(fā)展，數(shù)值模擬已被證明是一種研究潰壩水流演進(jìn)的有效手段并被廣泛運(yùn)用。
　　潰壩水流數(shù)值模擬目前以二維模型為主，但復(fù)雜地形上潰壩水流呈現(xiàn)明顯的三維特性，三維數(shù)值模型更能反映潰壩水流的演進(jìn)過程和沖刷機(jī)理。本文基于FLOW-3D建立定床和動(dòng)床三維潰壩數(shù)值模型，用兩個(gè)

2、經(jīng)典潰壩試驗(yàn)數(shù)據(jù)以驗(yàn)證模擬水動(dòng)力和泥沙沖刷的有效性。
　　本文將采用三維潰壩數(shù)值模型模擬突然擴(kuò)張渠道的水流演進(jìn)和沖刷，探討試驗(yàn)中不易獲知的潰壩水流現(xiàn)象。進(jìn)而設(shè)置四種潰決模式考慮壩體潰決速度和潰口尺寸，分別模擬分析瞬時(shí)潰壩和逐漸潰壩、不同潰口寬度對(duì)潰壩水流演進(jìn)和沖刷的影響。結(jié)果表明，壩體潰決速度對(duì)擴(kuò)寬處床面影響較小，潰口寬度影響則較大;潰口寬度對(duì)口門處的影響較大，潰口越小，沖刷越嚴(yán)重。
　　考慮障礙物對(duì)潰壩水流的影響，根據(jù)障礙

3、物的數(shù)量及其排列位置，本文設(shè)置三種工況分別進(jìn)行流場(chǎng)的分析。流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果表明，障礙物周圍的水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在一個(gè)復(fù)雜的“漩渦體系”;障礙物對(duì)上游水面變化的影響較小，但對(duì)側(cè)向和后方水面變化影響較大;障礙物對(duì)其前后位置流速的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)兩側(cè)位置流速的影響，障礙物對(duì)其上游影響范圍在1.5D(0.15m)左右，對(duì)下游影響范圍在2D(0.20m)左右;障礙物間距對(duì)速度場(chǎng)演化有一定影響，其間距越小影響越大。間距小時(shí)有一個(gè)速度先增后減的低流速區(qū)，

4、間距大時(shí)這個(gè)低流速區(qū)消失，障礙物附近的速度場(chǎng)分布與單障礙物時(shí)候接近。
　　考慮障礙物對(duì)潰壩床面沖刷的影響，本文將對(duì)三種工況分別進(jìn)行沖刷的分析。沖刷的計(jì)算結(jié)果表明，水流遇到障礙物時(shí)的傳播過程是一個(gè)出現(xiàn)局部沖刷且沖坑逐漸拓寬和刷深的過程;沖刷主要發(fā)生在潰壩的初期階段，隨后沖刷坑的深度和范圍逐漸穩(wěn)定，僅在坑內(nèi)局部變化，最后形成穩(wěn)定床面;沖刷主要在障礙物前側(cè)和兩側(cè)，最大沖刷位置在前側(cè)，然后是左側(cè)，最后是右側(cè)，其中，初始時(shí)刻時(shí)兩側(cè)的沖刷強(qiáng)度