消能墩对泥石流消能作用的模拟研究

(四川省水利水电勘测设计研究院规划设计分院，四川 德阳，618000)

1 计算模型及介绍

计算流体力学简称CFD(ComputationalFluid Dynamics)，即主要依托于现代计算机数值仿真模拟技术来研究流体的运动过程、能量的传递以及其它与流体相关的现象。其计算过程主要是基于三大基本方程并在其控制之下进行流动过程模拟，以解得流场的各种问题，如流度、压力、温度、应力等基本物理量以及它们随时间、位置变化的分布情况[1]。

1.1 计算流体力学的基本方程

计算流体力学的三大基本方程：质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。

1.2 计算流体力学的求解方法过程

在计算流体力学中，研究流体运动规律所采用的主要方法是数值计算，数值计算方法的基础则是依托流体力学的三大基本方程，通过对该三大方程组的最终求解。对于计算流体力学比较常用的计算方法有：有限差分方法、有限体积法和有限元法[2-5]。

计算模型主要运用计算流体力学(CFD)通过单向流固耦合来模拟，模型中主要考虑的是正方形消能墩对泥石流能量的影响(及对泥石流流体流速的影响)，假设消能墩的局部微小变形时不影响流体运动状态的，因此可以采用平面的单向流固耦合模型进行计算[6-7]，计算过程中对于泥石流的入流边设置为流速边界，出流边设置为自由出流边界，位于流体网格中的消能墩设置为流固耦合边界，对于两条水平边界设置为流体墙，流体网格的计算模态采用湍流，计算参数及计算模型分别如表1、表2和图1所示。

表1计算模型参数

表2K-ε湍流模型常数

图1 消能墩消能流固耦合计算模型

对于不同的计算模型，均采用控制入流速度相等，流体模态参数相同的变量控制法，主要变量为消能墩布置数量及布置方式。计算主要为寻求最经济高效的消能墩布置方式，从而为该工程的消能墩设置提供适当的参考。

2 计算结果及分析

第一类计算主要是模拟不同数量的消能墩对泥石流的消能影响，其计算结果见图2(a)-(d)，墩后出流边界流速变化(减少量)如图3所示。

(a)两根均匀布置消能墩 (b)三根均匀布置消能墩

(c)四根均匀布置消能墩 (d)五根均匀布置消能墩

图2不同消能墩数量消能效果

图3 不同数量消能墩消能效果

基于以上不同数量消能墩对流体消能的计算结果可以看出，随着消能墩的增多，出流边界处各节点的平均流速明显减小，流体消能效果越好，消能墩数量对流体的消能有着明显促进的作用[8、9]。

接下来研究相同墩数(对流体的初分割相同)情况下不同的布置方式对流体消能的影响(流速分布)，该处主要考虑不同排列方式对流体的再分割次数；再分割可以理解为流体在初次流经消能墩后被分割为两股(初次分割)，当被分割的流体再次流经消能墩之后再次被分割为两股，该过程可以被认为是流体的再分割。其简要说明如图4所示。不同再分割数量消能效果见图5(a)-(e)。

图4 消能墩分割流体示意

(a)无再分割 (b)两次再分割

(c)四次再分割 (d)六次再分割

(e)八次再分割

图6 再分割数量与消能关系

3 结论

通过以上的计算模拟可以看出在消能墩数量(初次分割数量)相同的条件下再分割次数的增加可以明显地降低过流流体的流速，从而实现达到对过流流体消能的目的。但同时也应该看到再分割的消能作用还是小于初次分割的作用，初次分割对流体的消能占主导作用，而再分割对流体的消能是在初次分割的基础之上再次的分流消能，因此效果不如初次消能理想。在实际的工程应用中由于经济及施工条件的限制，消能墩的数量设置毕竟有限，因此，在消能墩数量相同的基础上优化消能墩的排列方式，增加消能墩对流体的二次分割同样能够明显地增强消能效果，发挥消能墩消能的最大功效。