(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院規(guī)劃設(shè)計(jì)分院，四川 德陽，618000)

1 計(jì)算模型及介紹

計(jì)算流體力學(xué)簡稱CFD(ComputationalFluid Dynamics)，即主要依托于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真模擬技術(shù)來研究流體的運(yùn)動(dòng)過程、能量的傳遞以及其它與流體相關(guān)的現(xiàn)象。其計(jì)算過程主要是基于三大基本方程并在其控制之下進(jìn)行流動(dòng)過程模擬，以解得流場的各種問題，如流度、壓力、溫度、應(yīng)力等基本物理量以及它們隨時(shí)間、位置變化的分布情況[1]。

1.1 計(jì)算流體力學(xué)的基本方程

計(jì)算流體力學(xué)的三大基本方程：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。

1.2 計(jì)算流體力學(xué)的求解方法過程

在計(jì)算流體力學(xué)中，研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律所采用的主要方法是數(shù)值計(jì)算，數(shù)值計(jì)算方法的基礎(chǔ)則是依托流體力學(xué)的三大基本方程，通過對該三大方程組的最終求解。對于計(jì)算流體力學(xué)比較常用的計(jì)算方法有：有限差分方法、有限體積法和有限元法[2-5]。

計(jì)算模型主要運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)通過單向流固耦合來模擬，模型中主要考慮的是正方形消能墩對泥石流能量的影響(及對泥石流流體流速的影響)，假設(shè)消能墩的局部微小變形時(shí)不影響流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，因此可以采用平面的單向流固耦合模型進(jìn)行計(jì)算[6-7]，計(jì)算過程中對于泥石流的入流邊設(shè)置為流速邊界，出流邊設(shè)置為自由出流邊界，位于流體網(wǎng)格中的消能墩設(shè)置為流固耦合邊界，對于兩條水平邊界設(shè)置為流體墻，流體網(wǎng)格的計(jì)算模態(tài)采用湍流，計(jì)算參數(shù)及計(jì)算模型分別如表1、表2和圖1所示。

表1計(jì)算模型參數(shù)

表2K-ε湍流模型常數(shù)

圖1 消能墩消能流固耦合計(jì)算模型

對于不同的計(jì)算模型，均采用控制入流速度相等，流體模態(tài)參數(shù)相同的變量控制法，主要變量為消能墩布置數(shù)量及布置方式。計(jì)算主要為尋求最經(jīng)濟(jì)高效的消能墩布置方式，從而為該工程的消能墩設(shè)置提供適當(dāng)?shù)膮⒖肌?/p>

2 計(jì)算結(jié)果及分析

第一類計(jì)算主要是模擬不同數(shù)量的消能墩對泥石流的消能影響，其計(jì)算結(jié)果見圖2(a)-(d)，墩后出流邊界流速變化(減少量)如圖3所示。

(a)兩根均勻布置消能墩 (b)三根均勻布置消能墩

(c)四根均勻布置消能墩 (d)五根均勻布置消能墩

圖2不同消能墩數(shù)量消能效果

圖3 不同數(shù)量消能墩消能效果

基于以上不同數(shù)量消能墩對流體消能的計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著消能墩的增多，出流邊界處各節(jié)點(diǎn)的平均流速明顯減小，流體消能效果越好，消能墩數(shù)量對流體的消能有著明顯促進(jìn)的作用[8、9]。

接下來研究相同墩數(shù)(對流體的初分割相同)情況下不同的布置方式對流體消能的影響(流速分布)，該處主要考慮不同排列方式對流體的再分割次數(shù)；再分割可以理解為流體在初次流經(jīng)消能墩后被分割為兩股(初次分割)，當(dāng)被分割的流體再次流經(jīng)消能墩之后再次被分割為兩股，該過程可以被認(rèn)為是流體的再分割。其簡要說明如圖4所示。不同再分割數(shù)量消能效果見圖5(a)-(e)。

圖4 消能墩分割流體示意

(a)無再分割 (b)兩次再分割

(c)四次再分割 (d)六次再分割

(e)八次再分割

圖6 再分割數(shù)量與消能關(guān)系

3 結(jié)論

通過以上的計(jì)算模擬可以看出在消能墩數(shù)量(初次分割數(shù)量)相同的條件下再分割次數(shù)的增加可以明顯地降低過流流體的流速，從而實(shí)現(xiàn)達(dá)到對過流流體消能的目的。但同時(shí)也應(yīng)該看到再分割的消能作用還是小于初次分割的作用，初次分割對流體的消能占主導(dǎo)作用，而再分割對流體的消能是在初次分割的基礎(chǔ)之上再次的分流消能，因此效果不如初次消能理想。在實(shí)際的工程應(yīng)用中由于經(jīng)濟(jì)及施工條件的限制，消能墩的數(shù)量設(shè)置畢竟有限，因此，在消能墩數(shù)量相同的基礎(chǔ)上優(yōu)化消能墩的排列方式，增加消能墩對流體的二次分割同樣能夠明顯地增強(qiáng)消能效果，發(fā)揮消能墩消能的最大功效。