光滑质点水动力学法(SPH)在河道溃坝水流中的研究应用

The Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method is a recently developed mesh-free Lagrangian particle modeling approach which tracks the motion of each individual fluid particle. Numerous studies have found that the SPH has great advantages in treating the large deformation of free surfaces, interfaces of multi-materials and moving boundaries in a convenient and accurate manner. This can lead to more concise and straightforward numerical algorithms as compared with the conventional Eulerian grid modeling approaches. However, as far as the present knowledge is concerned, most documented SPH applications are related to the coastal wave hydrodynamics, as well as some other instantaneous flow problems such as the water entry/exit of a solid object, landslide generated waves and idealized dam break flows in a closed channel. Very limited works have been reported in the practical river flow simulations. This is due to the fact that many unsolved problems still exist in the SPH treatment of inflow/outflow boundaries, rough bed and sediment erosion and deposition, which severely limit the SPH applications in the engineering field. The proposed project will carry out some fundamental studies on the above issues with the aim to develop an adequate solution method with the support of critical numerical tests. By investigating the practical dam break flows in an open river channel, the ultimate goal of the project is to explore the potentials of SPH modeling approach and thus provide a promising new simulation technique in river hydrodynamics.

光滑质点水动力学法(SPH)是近年来迅速发展起来的一种无网格质点法，其基本思想是在计算中追踪各个流体质点而得到水流的总体运动规律。大量研究证明，SPH对于自由面、多相介质交界面与动边界的处理极为方便准确，代码书写简练，比传统网格法具有独特的优势。但是，目前水利工程界大部分SPH的研究工作都局限于海岸动力学的波浪模拟，以及其它一些瞬时的非恒定流动，比如固体物的出入水、滑坡涌浪、无出入流光滑床面下的理想溃坝水流等，但是对于实际河道水流的应用几乎没有。这主要是因为在河流模拟中，SPH法在处理出入流边界、床面阻力与泥沙冲淤等方面，尚无完善的研究结论，SPH模拟方法的优越性没有在河流工程中反映出来。本研究旨在这方面做一定的基础研究工作，针对上面描述的有关难点问题，提出合理的计算模式并展开数值验证，侧重于工程中常见的河道溃坝水流问题，来探索SPH法在实际河流中的应用潜力。

光滑质点水动力学法（SPH）是近年来迅速发展起来的一种无网格质点法，其基本思想是在计算中追踪各个流体质点而得到水流的总体运动规律。SPH方法对于自由表面、多相介质交界面和动边界的处理极为方便，因此相比于传统网格方法具有优越性。但目前SPH在水利工程中的应用也仅是局限于海岸动力学的波浪模拟和其他一些瞬时非恒定流动的模拟，对于实际河道水流的应用却寥寥无几。由于SPH方法在河道水流模拟时，无法对于出入流边界、床面阻力以及泥沙冲淤给出完善的结论，所以本研究旨在对于SPH在实际河道水流应用做出一定的基础研究工作。. 对此，我们做了大量的基础研究工作。首先，分析了不同的入流模式，提出了推板模型和粒子融合入流模型。推板入流方法简单，可以有效产生稳定水流；通过采用粒子输入、融化法，加以施加相关的水动力学条件，开发出理想条件下的光滑床面明渠流的出入流模型，并且加以验证有效。其次，利用混合长度理论改进了SPH法中的湍流模型，并提出拖曳力床面粗糙模型，利用实验数据验证了模型的准确性。之后，开展了浅水无网格粒子法（SWE-SPH）的研究，采用英国曼城开源程序，对平底河床、以及河床存在摩擦且下游设置障碍物的溃坝水流进行了较好地模拟，且通过某水库实际情况，对其各种工况进行了模拟，验证了模型的准确性。再次，开发了水沙两相的固液SPH模型，该模型不仅可用于水沙领域，还能有效地预报河口海岸的重力流运动，同时还探索了水气两相流的建模问题，对楔形体入水和溃坝进行了试验与模拟。另外，还研究了波浪对结构产生的作用，通过采用不可压缩SPH方法（ISPH）对波与结构间的相互作用进行了很好的模拟，可以稳定准确地处理固液边界。最后，通过对经典SPH压力泊松方程的改进，提出了高效率求解的混合源项模型，大幅提高了压力计算的精度。本课题针对上面提出的河道溃坝水流的有关难点问题，均已探索出解决方法，且通过了验证，完成了面向工程实际的数值模拟的开发探索，为河流动力学领域做出了一定的贡献。