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泥石流流场三维数值模拟研究

马宗源  
【摘要】:泥石流是一种常见的自然灾害,由于其爆发突然,破坏严重,因而一直为学术界和工程界所关注。 本文在总结前人对泥石流研究基础上,运用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)技术对泥石流中的粘性泥流进行了数值模拟。本次研究所用软件为通用CFD软件CFX,使用CAD软件AutoCAD和Unigraphics(UG)建立泥石流沟谷三维地形模型,泥石流流体类型定义为Bingham粘性泥流模型,计算得出泥石流速度场及压力场的大小及分布。最后以泥石流拦挡坝为例对泥石流拦挡工程进行了模拟,计算出了泥石流流体对坝体的冲击力的大小及分布。得到如下主要结论: (1)本次研究在AutoCAD中生成三维等高线,以UG作为建模平台,建立了泥石流沟谷三维地形模型,且证明现阶段成熟CAD软件已能够方便建立复杂三维地质模型。 (2)由于形态复杂,反映实际情况的沟谷模型很难通过网格化及计算求解过程。所以运用CFX模拟分析泥石流流场,对模型的形态具有较高的要求,模型必须具有较为规则的形态。 (3)本次研究通过模拟计算得出了泥石流场中速度场及压力场的分布及大小,计算出泥石流通过流通区的最大速度(59.7m/s)及压力值(2.17×10~6Pa)。 (4)本次研究在建立沟谷模型的基础上,加入拦挡坝模拟了泥石流对坝体的冲击力及泥石流流场受坝体拦挡之后的变化情况。从加入拦挡坝之后泥石流流场变化来看,泥石流流体受拦挡坝拦截之后翻越过坝体,拦挡坝没有完全挡住泥石流流体,通过比较加入拦挡坝前后泥石流的流场得出,拦挡坝降低了泥石流流速,减弱了泥石流流体的冲击力,减小了泥石流堆积面积。 本次研究意在方法的探究,将计算流体力学方法引入灾害防治领域,具有很大的尝试和探索性。本次研究的主要意图是为今后这方面的进一步研究开辟道路,希望他人在本次研究的基础之上总结利弊继续发展。


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