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CFD流体仿真软件Flow 3D在沉积物冲刷模拟

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沉积物冲刷

与流体动力学完全结合,CFD流体仿真软件FLOW-3D中的沉积物冲刷模型模拟了非粘性土壤的所有沉积物输送过程,包括载荷输送,悬浮载荷输送,夹带和沉积(Wei等人,2014)。它允许多种沉积物种具有不同的性质,如粒度,质量密度和临界剪切应力。例如,中砂,粗砂和细砂砾可以在模拟中分为三种不同的物种。该模型适用于3D流和2D浅水流。

如何模拟沉积物冲刷

水利工程仿真软件Flow 3D的这一模型中,沉积物的填充床由一个几何组件定义,该组件可以由具有不同沉积物种类组合的多个子组件组成。使用面积和体积分数通过FAVOR TM技术描述填充床。在包含床界面的网格单元中,计算界面的位置,取向和面积并用于确定床剪切应力,临界盾构参数,侵蚀速率和床载输送速率。使用标准壁函数评估三维湍流中的床剪应力,同时考虑床面粗糙度与介质粒度50成比例。对于2D浅水流,床剪切应力计算遵循二次规律,其中阻力系数是用户定义的或使用水深度和床表面粗糙度局部计算。

图1. t = 8 min时的流量

在CFD仿真软件FLOW-3D中的沉积物冲刷模型

该模型使用Meyer-Peter和Muller(1948)的等式计算包含床界面的每个网格单元中的床载传输。采用子网格方法来确定从网格单元移动到其邻居中的每个网格单元的晶粒数量。通过求解沉积物输运方程获得悬浮沉积物浓度。侵蚀计算同时考虑沉积物夹带和沉积。使用Winterwerp等人的方程计算夹带中颗粒的提升速度。(1992年)。沉积中的沉降速度等于三维流动中沉积物的漂移速度,但是使用现有的浅水流动方程(Soulsby,1997)计算。漂移通量理论(Brethour和Hirt,2009)用于计算晶粒的漂移速度。

图2.在t = 8分钟时的冲孔

本页的示例是围绕一排三个圆柱形桥墩的清水冲刷模拟。桥墩直径为1.5米,彼此相距2米。迎面而来的流动与气缸对齐,速度为2米/秒。床料由三种沉积物组成,即砂(直径5毫米),砾石(10毫米)和粗砂砾(20毫米)。图1,2和3显示了在8分钟时气缸周围的流动,冲刷孔和冲刷深度分布。

图3.在t = 8min时的冲刷深度(负值)和沉积高度(正值)
参考

Brethour,JM,Hirt,CW,2009,双组分流动漂移模型,技术说明FSI-14-TN-83,流动科学。
Meyer-Peter,E。和Müller,R.,1948,床载荷运输公式,国际水工结构研究协会第二次会议论文集。第39-64页。
Soulsby,R.,Dynamics of Marine Sands,Thomas Telford Publications,London,1997。
Wei,G.,Brethour,JM,Gruenzner M.和Burnham,J.,2014,The Depiment Scour Model in FLOW-3D,Technical Note FSI-14-TN-99,Flow Science。
Winterwerp,JC,Bakker,WT,Mastbergen,DR和Van Rossum,H.,1992,Hyperconcentrated sand-water mixture flow over erodible bed, J. Hydraul。Eng。,118,pp.1508-1525。

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