• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      基于Flow-3D的堤防堵口水力條件數(shù)值模擬

      2017-03-22 03:38:42張鳳德賀昌海
      中國農(nóng)村水利水電 2017年5期
      關(guān)鍵詞:潰口口門堤防

      王 兵,張鳳德,賀昌海

      (1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,武漢 430072;2. 黑龍江省三江工程建設(shè)管理局,哈爾濱 150081)

      堤壩潰決水流一般兼有急流和緩流、涌波和稀疏波等流態(tài),決口流量過程常是峰高量大,形狀陡峭,急緩流轉(zhuǎn)換,水面梯度較大,在口門區(qū)域常存在間斷[1,2]。潰堤問題與潰壩問題相比最大的區(qū)別在于河道的側(cè)向水流運動,與側(cè)堰水流運動非常相似[3]。目前針對河道堤防潰決水流的相關(guān)數(shù)值模擬研究,主要為二維平面數(shù)值模擬[4-6]。

      為了盡量減少堤防潰決后造成的損失,結(jié)合實際地形地質(zhì)條件[7-9]和相應(yīng)口門區(qū)域水力條件及變化規(guī)律,制定科學(xué)合理的堵口搶險預(yù)案在當(dāng)前時代特征下顯得尤為重要。在傳統(tǒng)物理模型試驗存在周期長、投資大等缺點的背景下,近年來Flow-3D等CFD軟件得到了越來越廣泛的運用,包括溢流壩泄流[10]、消能池水躍[11]、泥沙輸運[12]、長廊式氣墊調(diào)壓室的水-氣兩相流[13]等三維數(shù)值模擬計算。眾多前人的研究成果表明,三維水流數(shù)值模擬計算結(jié)果與物理模型試驗結(jié)果是相對一致的[14],可用于指導(dǎo)和解決實際工程問題。

      本文利用Flow-3D軟件,針對某河道砂性堤防潰決水流運動進(jìn)行三維數(shù)值模擬,研究超標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下口門區(qū)域水力條件,其成果可為研究極端洪水條件下該河道砂性堤防潰口快速封堵技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

      1 研究河道概況

      某河道兩岸地形地貌為低漫灘階地,灘地高程多在41~44 m之間,而島面高程多為41~42 m。河床與河岸的土質(zhì)以細(xì)砂及壤土為主,抗沖刷能力差。平槽水位時河道水深達(dá)10 m以上,水面寬闊,水深流急。該河道堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇,堤防形式以砂基砂堤或砂基土堤為主,部分堤段受地形地質(zhì)等因素的影響為險工弱段。

      研究選取某個典型堤防險段及其對應(yīng)的河道實際地形,對百年一遇洪水條件下的堤防潰口水流運動進(jìn)行數(shù)值模擬。該典型險段設(shè)計斷面如圖1,堤頂超高2.2 m,堤頂寬8 m,兩側(cè)邊坡均為1∶4.0。

      圖1 典型險段設(shè)計斷面(單位:cm)Fig.1 Design section of typical risk dike

      2 數(shù)值計算

      2.1 控制方程

      本文研究的具有實際復(fù)雜地形的堤防潰口水流問題,因地勢起伏多變及河道的側(cè)向水流運動特性,潰口區(qū)域水流流態(tài)復(fù)雜、水面梯度大,因此采用RNGk-ε紊流模型??刂品匠倘缦拢?/p>

      連續(xù)方程:

      (1)

      動量方程:

      (2)

      紊動能k方程:

      (3)

      紊動能耗散率ε方程:

      (4)

      式中:ui是流速張量分量;Ai、gi、fi分別代表三維直角坐標(biāo)方向上可流動的面積分?jǐn)?shù)、重力加速度和黏滯力;VF是可流動的體積分?jǐn)?shù);ρ是流體密度;p是作用在流體微元上的壓力;k、ε分別是紊動能和紊動能耗散率;σk、σε分別是紊動能和耗散率對應(yīng)的Prandtl數(shù);μ、μt分別是水的動力黏滯系數(shù)和紊動黏滯系數(shù);Gk是紊動能k的產(chǎn)生項;C*ε1、Cε2是經(jīng)驗常數(shù)。

      采用交錯矩形網(wǎng)格的FAVOR法離散控制方程,采用TruVOF方法處理流體自由表面,采用極小殘差(GMRES)算法求解壓力。

      2.2 模型及網(wǎng)格劃分

      在原有地形資料的基礎(chǔ)上,利用CATIA軟件進(jìn)行三維河道地形建模,并創(chuàng)建堤防建筑物。將生成的模型實體導(dǎo)入Flow-3D中進(jìn)行數(shù)值計算。為了保證計算的效率、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,采用均勻的立方體網(wǎng)格,縱橫比為1;并考慮深度方向的計算精度要求相對較高,設(shè)置網(wǎng)格尺寸X∶Y∶Z=2∶2∶1。為更精確的模擬潰口區(qū)域的水力條件,在潰口區(qū)域采用嵌套網(wǎng)格。網(wǎng)格塊①覆蓋河道范圍對應(yīng)堤線樁號從1+000 m至3+150 m處(原型),立方體網(wǎng)格尺寸為4 m×4 m×2 m;嵌套網(wǎng)格塊②覆蓋范圍為潰口口門堤線前后200 m、上下堤頭各退后50 m所圍成的區(qū)域,潰口中心對應(yīng)堤線樁號2+100 m處,立方體網(wǎng)格尺寸為2 m×2 m×1 m。因此網(wǎng)格總數(shù)隨口門寬度變化而稍有變化,例如口門寬60 m時,網(wǎng)格總數(shù)約379萬,有效網(wǎng)格數(shù)約為229萬。模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示,(a)中網(wǎng)格單元擴大六倍以方便顯示。

      圖2 模型及網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of model and grid division

      2.3 邊界條件及初始條件

      邊界條件(Mesh①):上游Ymin設(shè)為流量邊界,根據(jù)所建模型地形斷面數(shù)據(jù)和百年一遇洪水位46.17 m換算而得;下游Ymax設(shè)為壓力邊界,用下游水位控制,下游水位通過試算確定;左岸Xmin邊界與流體不接觸,不影響流態(tài),采用缺省設(shè)定為對稱邊界;潰口堤后Xmax設(shè)為壓力邊界,根據(jù)與百年一遇洪水位(潰口處河道斷面)的水位落差ΔZ1控制;模型底部Zmin設(shè)為固壁邊界;模型頂部Zmax設(shè)為壓力邊界,P=0(一個大氣壓)。Mesh②除頂部與底部外,均取對稱邊界。

      初始條件:以下游控制水位作為計算域內(nèi)的初始水位。

      流量監(jiān)測:Baffles 在FLOW-3D中是沒有厚度的孔隙孔板,用以控制或引導(dǎo)水流。實際工作中常用于測量通過某斷面的水流流量與計算通過的顆粒數(shù)量,且完全不影響水流運動。因此設(shè)置Baffle1、Baffle2和Baffle3分別監(jiān)測模型上游進(jìn)口流量Q1、下游出口流量Q2和潰口處分流量QK,如圖2所示。

      2.4 計算工況

      研究主要利用FLOW-3D分別對不同口門寬度及堤防內(nèi)側(cè)不同水位條件作用下的潰口水流運動進(jìn)行數(shù)值模擬,得到不同工況條件下口門區(qū)域的水位、水位場分布、流速及流速場分布等水力學(xué)特性,進(jìn)而分析其對口門區(qū)域水力條件的影響程度。計算工況如表1。

      表1 數(shù)值模擬計算工況Tab.1 Calculation conditions of numerical simulation

      3 數(shù)值計算結(jié)果分析

      3.1 不同口門寬度下流速場

      圖3為沿堤防軸線口門斷面的沿水深平均流速分布圖,在不同口門寬度下其流速分布形態(tài)基本一致??陂T斷面上,靠近兩堤頭流速急劇減小,中間段流速分布較堤外斷面更為均勻,但下堤頭前出現(xiàn)局部流速峰值,而數(shù)值隨口門束窄先增大后減小。圖3(b)與圖3(a)相比可知,隨著ΔZ1減小,也即堤后水位上漲,口門寬度相同條件下斷面流速明顯減小。

      圖3 口門斷面沿水深平均流速Fig.3 Depth-averaged velocity of the entrance section

      堤外流速峰值分布于口門偏上游區(qū)域,隨著口門的束窄流速變化坡度增大。堤內(nèi)流速集中于口門中間區(qū)域,橫向擴散現(xiàn)象明顯。例如口門寬60 m時口門區(qū)域流速場,如圖4。

      圖4 口門區(qū)域流速場Fig.4 Velocity field of the entrance area

      3.2 不同口門寬度下水位場

      圖5為沿口門中軸線斷面水面線分布圖,潰口水流水面梯度隨口門寬度的減小而增大。堤線前水位隨口門寬度減小而升高,水流經(jīng)過口門過程中出現(xiàn)垂向收縮的現(xiàn)象。

      圖5 口門中軸線水面線Fig.5 Water surface profile of the central axis of the entrance

      在上、下堤頭前,堤角附近的卷吸現(xiàn)象明顯,對口門區(qū)域橫向水位變幅影響較大。例如口門寬60 m時口門區(qū)域水位場,如圖6。

      圖6 口門區(qū)域水位場Fig.6 Free surface elevation of the entrance area

      3.3 局部大流速分布特征

      根據(jù)數(shù)模計算結(jié)果,堵口進(jìn)占過程中口門區(qū)域存在局部大流速分布。60 m龍口寬度時口門斷面流速分布如圖7,下堤頭附近流速明顯高于上堤頭,工況7條件下最大流速達(dá)8.27 m/s,工況8條件下最大流速達(dá)6.74 m/s,位置向下堤頭前靠攏;同時口門底部流速較大。因此合龍前必須分別針對下堤頭和口門底部的沖刷情況采取相應(yīng)的裹護(hù)措施。

      圖7 口門斷面流速分布圖Fig.7 Velocity distribution diagram of breach section

      3.4 潰口分流量和口門斷面平均流速

      根據(jù)Baffles監(jiān)測結(jié)果,堤防潰口口門寬度與堤后邊界條件對潰口分流量的影響十分顯著。各工況條件下潰口分流量與口門斷面平均流速如表2。

      4 結(jié) 語

      研究選取某河道堤防典型險段實際地形和現(xiàn)有防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(P=2%)的堤防建筑物,采用CATIA軟件作為三維建模平臺,并基于FLOW-3D軟件對百年一遇洪水條件下、不同口門寬度及堤防內(nèi)側(cè)不同水位條件作用下的潰口水流進(jìn)行數(shù)值模擬,從而得到14種組合工況條件下口門區(qū)域的水位、水位場分布、流速及流速場分布等堤防堵口水力學(xué)特性。計算結(jié)果表明,潰口內(nèi)外水位差和口門寬度均對潰口分流量、口門斷面平均流速有顯著的影響,應(yīng)當(dāng)據(jù)此選擇合適的堵口時機;隨著口門束窄,潰口前水位逐漸抬高,口門斷面流速先增后減,堵口進(jìn)占過程中因根據(jù)流速變換拋投材料及粒徑;合龍過程中應(yīng)適時監(jiān)測口門底部和下堤頭前的沖刷現(xiàn)象,并采取相應(yīng)的防護(hù)措施;為保證堵口截流順利實施,應(yīng)當(dāng)具備足夠的拋投強度等。

      表2 潰口分流量和口門斷面平均流速Tab.2 Flow rate and average velocity of breach section

      注:堤身內(nèi)外實際落差ΔZ2以口門中軸線上距離原堤軸線100 m的兩點處水位差計。

      [1] 譚維炎.計算淺水動力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.

      [2] 張大偉.堤壩潰決水流數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用研究[D].北京:清華大學(xué),2008.

      [3] 張修忠.堤防潰決過程的數(shù)值模擬[D].北京:清華大學(xué),2003.

      [4] 苑希民,田福昌,王麗娜.漫潰堤洪水聯(lián)算全二維水動力模型及應(yīng)用[J].水科學(xué)進(jìn)展,2015,26(1):83-90.

      [5] 賀治國.考慮水沙相互作用的河堤潰決二維數(shù)值模型[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯,2010,25(2):147-154.

      [6] 陳 珺,張小峰,談廣鳴,等.考慮潰口展寬的潰堤水流泥沙數(shù)值模擬[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯,2007,22(5):647-653.

      [7] 楊佩國,楊勤業(yè),吳紹洪,等.基于數(shù)值模擬的黃河下游不同情景潰堤洪水特性[J].地理研究,2007,26(2):328-336.

      [8] 張大偉,張 超,王興奎.具有實際地形的潰堤水流數(shù)值模擬[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,47(12):2 127-2 130.

      [9] 徐國賓,孟慶林,苑希民.含沙潰堤洪水?dāng)?shù)值模擬分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版),2016,49(10):1 008-1 015.

      [10] 戚 藍(lán),陳 輝,費文才,等.基于精確河道地形的溢流壩泄流三維數(shù)值模擬[J].水力發(fā)電學(xué)報,2016,35(10):12-20.

      [11] 王月華,包中進(jìn),王 斌.基于Flow-3D軟件的消能池三維水流數(shù)值模擬[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2012,45(4):454-457.

      [12] 劉成林,陳宇豪.基于Flow-3D的水平射流沖刷泥沙數(shù)值模擬[J].人民長江,2016,47(6):87-91.

      [13] 夏林生,程永光,周大慶.3-D simulation of transient flow patterns in a corridor-shaped air-cushion surge chamber based on computational fluid dynamics[J].Journal of Hydrodynamics,2013,25(2):249-257.

      [14] 賀昌海,陳 輝,劉 全.基于CATIA建模的導(dǎo)流工程三維數(shù)值模擬研究[J].天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版),2016,49(4):422-428.

      猜你喜歡
      潰口口門堤防
      非黏性堤防潰口發(fā)展過程計算模型
      局部逐漸潰壩機理研究及潰口水流模擬
      典型堤防潰口水力特性的試驗研究
      瞬潰條件下不同潰決形式的潰口水力特性研究
      排樁整流技術(shù)在大藤峽水利樞紐中的應(yīng)用
      水道港口(2017年5期)2017-11-22 03:33:05
      2016年河南省己建成堤防長度
      蘭溝洼蓄滯洪區(qū)分洪口門合理寬度分析
      河南省2014年已治理堤防長度
      河南省2014年已治理達(dá)標(biāo)堤防長度
      泰州引江河口門區(qū)淤積成因及防淤減淤措施
      中國水利(2015年20期)2015-02-01 07:50:51
      黑山县| 杭锦旗| 孙吴县| 马鞍山市| 旬邑县| 宜川县| 延庆县| 宁城县| 白城市| 临安市| 光泽县| 阳新县| 孝感市| 江安县| 纳雍县| 平南县| 漯河市| 咸宁市| 炎陵县| 开封市| 余干县| 敖汉旗| 宣恩县| 垦利县| 延吉市| 乐东| 鱼台县| 靖西县| 巨野县| 潞西市| 剑阁县| 日照市| 湛江市| 安泽县| 合阳县| 苍山县| 剑河县| 静安区| 商都县| 醴陵市| 赤壁市|