溃坝流动的有限元数值模拟.pdf

中 V01．46 46卷增刊 国 造 船 Special 2005年11月 SH邛BUILD【NGOFCHINA NOV．2005 文章编号：1000．4882(2005)S一0246—07 溃坝流动的有限元数值模拟 吕林1，李玉成1，陈兵2 (1．大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024； 2．大连理工大学土木水利学院，辽宁大连116024) 摘要 结果进行了对比。结果表明，该方法能够准确模拟出溃坝过程的水流运动情况。由于该数值模型是基于有 限元方法，因此对复杂边界具有较强的适应能力；文中对自由表面的模拟采用CLEAR．VOF进行捕捉和重 构，使得非结构化网格可以应用到自由表面问题的数值模拟中；同时大涡模拟也被集成到该模型中，这为 处理复杂湍流流动问题提供了更为可靠的保证。本文的工作为进一步研究复杂边界条件下带有自由表面的 湍流流动问题奠定了基础。 关 键词：溃坝；自由表面；数值模拟；有限元；流体体积法；大涡模拟 1 引 言 开展针对溃坝问题的研究对水利工程具有重要实际意义，同时它也是一种具有代表性的自由表面 流动，因此多年来一直是研究人员非常关注的课题。现有的研究工作基本上是沿着室内试验和数值计 算两个方向进行的。Marting和Moyce川对直立方形水柱在重力作用下的塌落过程进行了试验研究； 同底坡坡度的溃坝问题。近年来随着计算技术的发展，数值模拟手段越来越多地被应用到溃坝问题的 研究中。目前，主要有两类方法。一是以浅水方程为背景，采用数值方法求解不同时刻、空间位置上 的水面高程，即高程函数法；王嘉松等b1。基于浅水方程和有限体积方法对多种溃坝流动进行了数 值计算；白玉川强。等则建立了平面二维溃坝水流泥沙数值模型；陈景秋四1等模拟了大坝瞬间全溃和 局部溃所致的洪水演进、绕流和反射过程。另外一类方法则是通过界面捕捉手段，计算自由表面的时 空演化过程。Hirt和Nichols u刚最早采用流体体积(VOF)方法对溃坝进行了数值模拟；陶建华等H¨和 Yue[121将Level set方法也引入到溃坝过程的数值模拟中，并与实验结果进行了对比。高程函数法虽然 在模拟大尺度的溃坝或潮汐运动等时比较有效，但由于浅水方程引入了静压假定以及进行了深度平均 等问题，使得该类方法适用范围有限。界面捕捉类方法虽然计算量比较大，但是由于它往往是基于求 解N—S方程，所以通用性比较好。本文的目的不仅是为了模拟溃坝的水流运动过程，更着眼于发展一 种高效、通用的数值模型，使之能够适用于求解更广泛的具有复杂边界形态和流动特征的自由表面流 动(如波浪在近岸复杂地形下的破碎、爬坡、与结构物相互作用等)。为此目的，本文利用有限元(FEM)、 u副 限元方法，因此对复杂边界问题具有较强的适应能力；文中对自由表面的模拟采用CLEAR-VOF AdvectionVolumeof (ComputationalLagrangian．EulerianRemap Fluid)进行捕捉和重构，使得非结构化 网格可以应用到自由表面问题的数值模拟中；同时大涡模拟也被集成到该模型中，这对今后进一步研 究更为复杂的自由表面湍流流动问题奠定了基础。 收稿日期：2005．08—05 46卷增刊 吕林等：溃坝流动的有限元数值模拟 247 2基本控制方程 本文采用不可压缩N．s方程为基本控制方程。由于N—S方程未进行无旋、无粘等简化，所以能够比 较全面地刻画牛顿流体的运动特征。实际的流动过程大多数都是处于湍流状态，目前人们基于N—s方 程已经发展了很多种处理湍流运动方法，大致