近期，多地遭受了前所未有的洪水侵襲，每一次災害都如同警鐘長鳴，提醒我們水庫大壩安全的重要性，超標準暴雨的突襲讓大壩的安全防線面臨前所未有的考驗。面對這一挑戰，CFD技術可為潰壩洪水的預測與管理開辟新的路徑。憑借CFD技術的數值模擬能力，能夠構建出高精度的三維數值模型，計算預測洪水的演進路徑、淹沒范圍以及可能造成的損害程度，從而深入探索流體運動的復雜機理，可為水庫防洪風險管理、防洪減災、搶險預案等提供重要的技術支持。本文采用積鼎流體仿真軟件 Virtualflow 建立潰壩三維數值計算模型，采用IST網格技術及 RANS 湍流模型、Level Set 界面捕捉模型，借助超算平臺來模擬潰壩后洪水的動態變化，對潰壩洪水漫過大壩向下游隨時間演進過程進行計算分析。

網格及模型構建

對于復雜幾何體的流場模擬，經常需要花費大量的時間精力進行網格生成。積鼎流體仿真軟件IST網格技術摒棄了傳統貼體網格方法，IST方法生成完全正交的六面體結構化笛卡爾網格，導入CAD文件即可自動快速生成結構化網格，并可根據分析需求對模型分塊和局部加密。IST網格技術為大壩和下游復雜區域地形網格的快速生成提供了非常友好的解決方案，軟件支持導入STL、STP、IGS等主流通用幾何格式文件，快速生成結構化網格，可節省大量的前處理時間，而且更有利于并行運算。

圖2幾何模型與網格劃分

幾何模型與網格劃分如上圖所示，通過三峽大壩及其下游地形高程圖獲取流道幾何信息，可以通過建模軟件建立三維流道的幾何模型。獲取地形或流道幾何模型后，直接導入軟件即可生成圖示的高質量結構化網格。

數值模型及參數設置

算例采用RANS 湍流模型和Level Set 界面捕捉模型，精細地模擬了潰壩水流的復雜流動細節，由于采用了 Level Set 界面追蹤方法，模擬結果能真實反映洪水界面的演變規律。與傳統此類問題仿真中常用的VOF界面追蹤方法相比，Level Set模型直接求解相交接面位置，在追蹤相交界面的計算方面具有更高精度。

初始時刻，大壩下游區域無水，上游形成一個巨大洪峰(如下圖所示)。由于洪峰水位高于大壩，運動到大壩處時漫過大壩向下流動形成潰壩洪水。將這個洪峰設置為速度入口邊界，下游出口和上方出口設置為壓力邊界，其余邊界為固體壁面條件。

圖3 初始時刻大壩下游區域無水、上游形成洪峰

計算結果分析

采用積鼎流體仿真軟件對三峽大壩潰壩進行計算模擬，采用瞬態求解器，64核并行計算，計算得到三峽大壩潰壩時洪水漫過大壩向下游流動的過程，如圖4。

圖4 潰壩洪水計算結果

圖5是從8.01s到37.91s潰壩洪水漫過大壩向下游隨時間演變的云圖。

圖5潰壩洪水隨時間演變

可以發現，t=8.01s時洪水開始漫過大壩；t=15.41s時向下游流動的潰壩洪水遇到河岸阻攔并發生轉向；t=37.91s潰壩洪水沖過河岸繼續向下游傳播，同時存在沿河岸向高處蔓延現象。圖6為t=37.91s時的洪水總體壓力和河灣距離河底6m、16m、26m水平截面的壓力分布，其中白色箭頭表示流速。

圖6t=37.91s時的洪水總體壓力及壓力分布

由圖6可以清晰地觀察到潰壩洪水遇到河岸時，流速發生巨大變化的現象，雖然洪水在下游無障礙河道區的水平流速更大，但變化較小。洪水對河岸的壓力與水在該河岸的流速變化直接相關。計算結果中壓力分布與速度變化情況是一致，如圖所示，即洪水流速變化更大的河岸承受洪水的壓力也更大。圖7為河灣距離河底6m水平截面不同時刻的壓力分布。

圖7?河灣距離河底6m水平截面不同時刻的壓力分布

由圖7可知，雖然由于洪水蔓延狀態不同河灣受到的壓力有所變化，但受到較大水壓和洪水沖擊的區域相對恒定，而這些河岸受到的沖擊經過時間積累后更容易出現危險狀況。總體來說，CFD流體分析有助于防范并削弱潰壩風險以及洪水對下游造成危害。

積鼎科技自主研發的通用計算流體力學軟件VirtualFlow，具備行業領先的網格建模與求解技術，和豐富的多相流物理模型及先進的相變模型，可模擬單相和多相/多組分物質流動、傳熱、界面追蹤、粒子追蹤、相變、水合物反應等復雜問題，可為工業各行業用戶提供專業級流體仿真解決方案。

審核編輯 黃宇