基于格子Boltzmann方法的三维溃坝数值模拟

邵 晨，黄剑峰

（云南农业大学水利学院，昆明650201）

0 引言

溃坝是一种灾害性的水流现象，其洪峰流量、运动速度、破坏力远大于一般暴雨洪水或融雪洪水。除了其超标准洪水、冰凌以及地震等致大坝溃坝的自然因素外，还有设计不周、施工不良以及管理不善等人为因素。溃坝的破坏力会带来巨大损失［1］，所以溃坝数值模拟就显得尤为重要，模拟结果不仅可以分析水流的流动过程，还可以用于推演坝前设置不同障碍物的消能效果，而且能够对溃坝生命损失进行估算［2］。

计算流体力学（CFD）可以在虚拟环境中仿真分析流体流动情况，降低了时间和成本，是一种可以代替实验研究的手段。传统的求解Navier-Stokes 方程的CFD 解算器一般都是基于网格的求解方法，因此需要经过一个耗时的网格划分过程，网格质量不仅制约着数值解的稳定性，而且影响着解的质量，且若干等尺寸的网格会提供不同的解，这会给解带来不确定性。大多数传统的编码通过加入人为的数值黏度来确定解，这种黏度会很大程度上改变和抑制解的稳定性，并且对非恒定流和声学的精度有很大的负面影响。如果不考虑一些简化和假设，那么Navier-Stokes方程是没有解析解的，而且由于计算的限制，它们的直接数值模拟（Direct numerical simulation）在实际工程中几乎是不可能的，所以仅限于学术应用，因此需要建立模型。然而，像雷诺平均方程（RANS）湍流模型都是经验模型，它们的缺点是依赖大量常数，为了正确地模拟湍流就要必须仔细校准这些常数。……