消能墩對泥石流消能作用的模擬研究

(四川省水利水電勘測設計研究院規(guī)劃設計分院，四川 德陽，618000)

1 計算模型及介紹

計算流體力學簡稱CFD(ComputationalFluid Dynamics)，即主要依托于現(xiàn)代計算機數(shù)值仿真模擬技術來研究流體的運動過程、能量的傳遞以及其它與流體相關的現(xiàn)象。其計算過程主要是基于三大基本方程并在其控制之下進行流動過程模擬，以解得流場的各種問題，如流度、壓力、溫度、應力等基本物理量以及它們隨時間、位置變化的分布情況[1]。

1.1 計算流體力學的基本方程

計算流體力學的三大基本方程：質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。

1.2 計算流體力學的求解方法過程

在計算流體力學中，研究流體運動規(guī)律所采用的主要方法是數(shù)值計算，數(shù)值計算方法的基礎則是依托流體力學的三大基本方程，通過對該三大方程組的最終求解。對于計算流體力學比較常用的計算方法有：有限差分方法、有限體積法和有限元法[2-5]。

計算模型主要運用計算流體力學(CFD)通過單向流固耦合來模擬，模型中主要考慮的是正方形消能墩對泥石流能量的影響(及對泥石流流體流速的影響)，假設消能墩的局部微小變形時不影響流體運動狀態(tài)的，因此可以采用平面的單向流固耦合模型進行計算[6-7]，計算過程中對于泥石流的入流邊設置為流速邊界，出流邊設置為自由出流邊界，位于流體網(wǎng)格中的消能墩設置為流固耦合邊界，對于兩條水平邊界設置為流體墻，流體網(wǎng)格的計算模態(tài)采用湍流，計算參數(shù)及計算模型分別如表1、表2和圖1所示。

表1計算模型參數(shù)

表2K-ε湍流模型常數(shù)

圖1 消能墩消能流固耦合計算模型

對于不同的計算模型，均采用控制入流速度相等，流體模態(tài)參數(shù)相同的變量控制法，主要變量為消能墩布置數(shù)量及布置方式。計算主要為尋求最經濟高效的消能墩布置方式，從而為該工程的消能墩設置提供適當?shù)膮⒖肌?/p>

2 計算結果及分析

第一類計算主要是模擬不同數(shù)量的消能墩對泥石流的消能影響，其計算結果見圖2(a)-(d)，墩后出流邊界流速變化(減少量)如圖3所示。

(a)兩根均勻布置消能墩 (b)三根均勻布置消能墩

(c)四根均勻布置消能墩 (d)五根均勻布置消能墩

圖2不同消能墩數(shù)量消能效果

圖3 不同數(shù)量消能墩消能效果

基于以上不同數(shù)量消能墩對流體消能的計算結果可以看出，隨著消能墩的增多，出流邊界處各節(jié)點的平均流速明顯減小，流體消能效果越好，消能墩數(shù)量對流體的消能有著明顯促進的作用[8、9]。

接下來研究相同墩數(shù)(對流體的初分割相同)情況下不同的布置方式對流體消能的影響(流速分布)，該處主要考慮不同排列方式對流體的再分割次數(shù)；再分割可以理解為流體在初次流經消能墩后被分割為兩股(初次分割)，當被分割的流體再次流經消能墩之后再次被分割為兩股，該過程可以被認為是流體的再分割。其簡要說明如圖4所示。不同再分割數(shù)量消能效果見圖5(a)-(e)。

圖4 消能墩分割流體示意

(a)無再分割 (b)兩次再分割

(c)四次再分割 (d)六次再分割

(e)八次再分割

圖6 再分割數(shù)量與消能關系

3 結論

通過以上的計算模擬可以看出在消能墩數(shù)量(初次分割數(shù)量)相同的條件下再分割次數(shù)的增加可以明顯地降低過流流體的流速，從而實現(xiàn)達到對過流流體消能的目的。但同時也應該看到再分割的消能作用還是小于初次分割的作用，初次分割對流體的消能占主導作用，而再分割對流體的消能是在初次分割的基礎之上再次的分流消能，因此效果不如初次消能理想。在實際的工程應用中由于經濟及施工條件的限制，消能墩的數(shù)量設置畢竟有限，因此，在消能墩數(shù)量相同的基礎上優(yōu)化消能墩的排列方式，增加消能墩對流體的二次分割同樣能夠明顯地增強消能效果，發(fā)揮消能墩消能的最大功效。