研究背景与意义

溃坝现象是指大坝或堤坝结构因洪水、地震、人为破坏或结构本身缺陷等原因突然失效，坝内水体以剧烈的流态向下游泄流，往往造成灾难性的后果。历史上的溃坝事故，如1975年河南板桥水库溃坝，造成严重的人员伤亡和财产损失。因此，深入研究溃坝过程中的水动力学特性，建立精确的数值模型，对于预测洪灾、制定应急预案以及大坝的设计与安全评估具有重大意义。

随着CFD的快速发展，数值模拟技术逐渐成为研究溃坝问题的主要手段之一。尤其是二维溃坝数值模拟，以其高效、经济和安全等优势，在研究溃坝流动特征、优化坝体设计以及制定安全标准方面发挥了关键作用。

标准溃坝实验

标准溃坝实验最早由Martin和Moyce（1952）提出，经过多年的不断发展，逐渐成为检验数值模型准确性的经典算例之一。该实验通常在一个长方形水槽内进行，水槽的一端安装有一堵垂直挡板，将水槽分隔为上游和下游两个区域，上游区域注满水，下游区域保持干燥。实验开始时迅速移除挡板，上游蓄积的水在重力作用下迅速流向下游，从而产生一个瞬态流动过程。

二维标准溃坝实验一般采用透明材料制作水槽，以方便采用高速度相机和其他光学测量技术，如粒子图像测速法（PIV），实时记录水位变化和流场分布。这种实验提供了丰富的流动细节和定量数据，包括水头传播速度、波面位置、水深变化和流体速度场等信息，这些都是检验数值模拟精度的重要依据。

数值模拟方法

数值模拟溃坝问题的方法众多，其中常见的方法包括有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）和有限体积法（FVM）。目前，有限体积法以其良好的守恒性质和易于处理复杂边界条件的优势，成为主流的求解方法。Navier-Stokes方程描述了流体运动的基本规律，包括连续性方程和动量守恒方程。此外，由于溃坝问题涉及自由表面运动，常常需要引入专门的自由表面捕捉技术，如体积法（Volume of Fluid，VOF）或水平集法（Level Set Method）等。

积鼎自研通用计算流体力学分析软件VirtualFlow基于FVM开发，具有全代码自主可控、先进的网格技术、高精度的湍流模型、丰富的多相流模型等技术特点；软件在求解界面流问题时，提供了VOF、Level set两种模型，可应用于类似溃坝这样的界面流仿真分析中。

二维标准溃坝数值算例设置

图1  流体区域设置

在VirtualFlow中网格设置为：

• 全局包围盒 x方向上限1.61，y方向上限0.6，z方向上限0.15

• x方向网格数量 150，y方向网格数量 60，z方向网格数量 2

• 网格加密形式为区域加密

• 网格块分布 x方向 8，y方向 1，z方向 1

图2  网格设置

• 插入矩形体素，长0.01，宽0.6，高0.15

• 设置平移 x = 1m

• 设置为固体域，并指定运动速度为 y=3.46m/s

图3  矩形体素

VirtualFlow中物理模型设置：

• 基本方程为 压力、U速度、V速度

• 重力 y=-9.8，开启静水压力项

• 多相流模型 Level-Set，开启动态接触角模型，表面张力设置0.072Nm^−1

• 相属性中液相按照文献给出设定，气相选择空气

图4 Level Set设置

计算结果对比

图5  159.9ms实验与VirtualFlow模拟对比

图6  276.6ms实验与VirtualFlow模拟对比

图6  373.3ms实验与VirtualFlow模拟对比

图7  449..9ms实验与VirtualFlow模拟对比

图8  573.3ms实验与VirtualFlow模拟对比

图9  862.3ms实验与VirtualFlow模拟对比

图10  1023.3ms实验与VirtualFlow模拟对比

图11  1166.6ms实验与VirtualFlow模拟对比

图12  1320.3ms实验与VirtualFlow模拟对比

图13  1626.7ms实验与VirtualFlow模拟对比

结果与讨论

数值模拟的结果主要通过自由表面演变、水头前进速度、水深变化以及流速分布等指标与实验结果进行对比分析。一般而言，准确的二维数值模拟能够较好地重现实验中水流传播的整体特征，包括水头前沿传播规律以及自由表面形态变化。

研究发现，数值模拟通常能够准确预测溃坝初期阶段水头的传播速度和自由表面的剧烈变化。然而，在溃坝后期阶段，由于流动变得更加复杂，如漩涡产生、水波叠加、破碎等现象的出现，数值模拟在捕捉复杂水面形态和细微结构方面仍存在一定困难。

VirtualFlow在水利行业的工程应用

  溃坝场景

溢洪道场景