基于OpenFOAM的滑坡涌浪生成与传播特性的数值模拟

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滑坡涌浪所引起的灾害指的是一定体积的滑坡体冲击水体后产生初始涌浪,并在水域中向远处传播,对水中船只、沿岸人员及设施造成的灾害。大多数滑坡体失稳原因主要归结于两个方面:一是水利工程的建设改变了当地自然地理条件和土应力的分布,容易引发水利工程周围土体岩体的变形破坏;二是随着水利工程投入使用,水位的快速上升或下降所引起的孔隙压力变化容易诱发滑坡体失稳下滑。水利水电工程的建设和使用对我国航运、电力和农业灌溉等发挥着重要的作用,但也存在诱发滑坡失稳、产生涌浪的安全隐患。因此,为预防或降低滑坡涌浪带来的灾害,开展滑坡涌浪的生成和传播特性的研究工作是十分必要的。本文基于开源CFD软件OpenFOAM,建立了分析滑坡涌浪传播特性的二维数值水槽,以重叠网格技术实现了刚性滑坡体大幅运动的数值计算,并结合waves2Foam工具箱,设置了适当的消波边界以降低涌浪反射的影响。为验证滑坡涌浪数值水槽的正确性,本文设置并计算了如下三个典型实验算例:楔形体的入水抨击问题、方箱竖直自由入水生成孤立波问题以及滑坡体沿着45°斜坡滑落形成涌浪问题,分别计算和比较了楔形体运动速度、方箱下落速度和孤立波波形以及滑坡涌浪的传播过程,结果表明数值模拟结果与试验值吻合良好,表明本文建立的滑坡涌浪数值水槽能够准确模拟滑坡涌浪问题。进一步的,本文对部分淹没型滑坡涌浪问题开展了数值模拟,探讨了滑坡体的前倾角、相对厚度、相对体积、相对质量、初始速度以及斜坡倾角和水深等参数对滑坡涌浪的生成与传播的影响;通过非线性分析,得到了滑坡涌浪的最大波幅、最大波高、波周期以及传播速度的拟合公式,并给出了滑坡涌浪在其传播方向上和随着时间变化而衰减经验公式,同时对滑坡涌浪的传播到达时间进行了预测,为与滑坡涌浪有关的防灾减灾提供了数据支持。
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