ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНОГО ПРОРЫВА ПЛОТИНЫ МЕТОДОМ VOF

Плотины – это одна из важных сооружений для сбора и хранения воды, выработки электроэнергии, защити от наводнений и ирригаций. В этой статье представлены численные результаты трехмерного моделирования прорыва плотины. Предложенная численная модель была проверена путем сравнения численных результатов с экспериментальными измерениями и численными результатами других авторов. Численный метод основан на уравнениях Навье-Стокса, описывающих поток несжимаемой вязкой жидкости. Движение поверхности воды захватывается с использованием метода объемной жидкости (VOF), что приводит к строгому сохранению массы. Точность и надежность 3D-модели была испытана с использованием небольшого лабораторного эксперимента по разрушению плотины. Показано, что предложенная модель хорошо предсказывает ударное давление потока прорыва. Также было определено в какой части препятствия возникает максимальное давление после прорыва плотины. При трехмерном моделировании прорыва плотины были рассмотрены разные формы препятствия, с помощью которых можно будет снизить ударное давление. Из представленных численных результатов была определена оптимальная форма препятствия, которую можно использовать в качестве дополнительной страховочной дамбы для основной плотины.

1. Brufau P, Vázquez-Cendón ME, García-Navarro P. (2002), "A numerical model for the flooding and drying of irregular domains", Int J Numer Methods Fluids, Vol. 39 No. 3, pp. 247–75.

2. Jha A.K., Akiyama J., Ura M. (1995), "First- and second-order flux difference splitting schemes for dam-break problem", J Hydraul Eng, Vol. 121 No. 12, pp. 877–84.

3. Zhou J.G., Causon D.M., Mingham C.G., Ingram D.M. (2004), "Numerical prediction of dambreak flows in general geometries with complex bed topography", J Hydraul Eng, Vol. 130 No. 4, pp. 332–40.

4. Scardovelli R., Zaleski S. (1999), "Direct numerical simulation of free-surface and interfacial flow", Ann. Rev. Fluid Mech., Vol. 31, pp. 567–603.

5. Shigematsu T., Liu P.L., Oda K. (2004), "Numerical modeling of the initial stages of dam-break waves", J Hydraul Res, Vol. 42 No. 2, pp. 183–95.

6. Harlow F.H., Welch J.E. (1965) "Numerical calculation of time-dependent viscous incompressible flow of fluid with free surface", Phys Fluids, Vol. 8 No. 12, pp. 2182–9.

7. Koshizuka S., Oka Y. (1996) "Moving-particle semi-implicit method for fragmentation of incompressible fluid", Nucl Sci Eng, Vol. 123 No. 3, pp. 421–34.

8. Shao S., Lo E.Y. (2003), "Incompressible SPH method for simulating Newtonian and non-Newtonian flows with a free surface", Adv Water Resour, Vol. 26 No. 7, pp. 787–800.

9. Colagrossi A., Landrini M. (2003), "Numerical simulation of interfacial flows by smoothed particle hydrodynamics", J Comput Phys, Vol. 191 No. 2, pp. 448–75.

10. Monaghan J.J., Rafiee A. (2013), "A simple SPH algorithm for multi-fluid flow with high density ratio", Int J Numer Methods Fluid, Vol. 71 No. 5, pp. 537–61.

11. Abdolmaleki K., Thiagarajan K.P., Morris-Thomas M.T. (2004), "Simulation of the dam break problem and impact flows using a Navier-Stokes solver", 15th Australasian fluid mechanics conference the University of Sydney.

12. Lobovský L., Botia-Vera E., Castellana F., Mas-Soler J., Souto-Iglesias A. (2014), "Experimental investigation of dynamic pressure loads during dam break" J Fluid Struct, Vol. 48, pp. 407–34.

13. Kleefsman K.M.T., Fekken G., Veldman A.E.P., Iwanowski B., Buchner B. (2005) "A volumeof- fluid based simulation method for wave impact problems", J Comput Phy, Vol. 206 No. 1, pp. 363–93.

14. Ozmen-Cagatay H., Kocaman S. (2011), "Dam-break flow in the presence of obstacle: experiment and CFD simulation", Eng Appl Comp Fluid, Vol. 5 No 4, pp. 541–52.

15. Nsom B., Debiane K., Piau J.M. (2000), "Bed slope effect on the dam break problem", J Hydraul Res, Vol. 38 No. 6, pp. 459–64.

16. Park I.R., Kim K.S., Kim J., Van S.H. (2012), "Numerical investigation of the effects of turbulence intensity on dam-break flows", Ocean Eng, Vol. 42, pp.176–87.

17. Yang J., Stern F., Sharp J. (2009), "Interface immersed-boundary/level-set method for wave–body interactions", Comput. Phys, Vol. 228 No. 17, pp. 6590–6616.

18. Zhang Y., Zou Q., Greaves D., Reeve D., Hunt-Raby A., Graham D., James P., Lv X. (2010), "A level set immersed boundary method for water entry and exit", Commun. Comput. Phys., Vol. 8 No. 2, pp. 265–288.

19. Zhang C., Lin N., Tang Y., Zhao C. (2014), "A sharp interface immersed boundary/VOF model coupled with wave generating and absorbing options for wave-structure interaction", Comput. Fluids, Vol. 89, pp. 214–231.

20. Hirt C.W., Nichols B.D. (1981), "Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries", J Comput Phys, Vol. 39, pp. 201–25.