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FLOW-3D 在水利工程上的應用:漂流木通過矩形堰之數值模擬

 

 

水利工程師在設計堰體結構時,除了考慮堰體強度是否能夠抵抗水流以外,還必須考慮一些水流夾帶固體的衝擊,而漂流木是其中最典型的水流夾帶物,尤其在洪汛期大量的漂流木往往會對堰體與相關水利設施造成嚴重的破壞。因此木頭等浮體漂流物的流動情形一直以來都是水利工程師關注的焦點。但是就計算流體力學的觀點而言,浮木伴隨著水體的漂流行為則是一個非常困難的課題,因為這樣的數值模式包含幾個棘手的元素:

複雜自由液面的模擬。

流體與固體的互制耦合行為。

移動物件的網格生成問題。

也因為上述三個複雜的課題,使得完整的三維漂流木運動模擬,大都還侷限於研究室基礎研發的階段,無法普遍被水利工程師所應用。

 

泓崴科技所代理的真實三維計算流體力學軟體 FLOW-3D ,是由 VOF 的發明人 C.W. Hirt 博士所創立,所改良的 TruVOF 能夠更準確的捕捉自由液面的位置變化,且能普遍適用在湧浪、碎波等較極端的案例。而軟體中的移動物件( GMO )模組則可以讓使用者輕易的定義固體的幾何外型與性質,進行複雜的流固耦合運動模擬。最重要的是 FLOW-3D 有別於一般計算流體力學軟體需要使用複雜的非結構性網格來進行物體幾何外型的描述, FLOW-3D 所採用的是正交的結構性網格,配合 FAVOR 的技術即可以利用簡單的矩形網格表現出任何複雜的幾何圖形,這樣的網格生成技術,除了可以大量的簡化工程人員網格前處理的時間,應用在模擬移動物體時特別具有優勢。在一般非結構性網格軟體,物件移動的同時需要不斷的重新生成網格以保持網格品質;在 FLOW-3D 中不管固體如何的移動,網格一直維持不動,這樣的特色有利於計算效率的提升,同時也可以保持模擬結果的準確性。

 

綜合以上所述特色,可以發現 FLOW-3D 可以輕易的應用在漂流木的運動模擬上,如圖一所示,在模擬前處理時,我們在定義完堰體、漂流木和水流起始位置後,只需要給定一矩形的計算區域和網格密度,就可以輕易的完成網格設定。這一連串的設定非常的容易簡便,即使沒有數值計算相關背景的工程人員,也可以在一至兩天的訓練課程後就具備獨立操作的能力。圖二則是漂流木流經矩形堰運位置的時變圖。雖然模式設定非常的簡單,但 FLOW-3D 的計算核心卻是求解完整的 Navier-Stokes 方程式,圖二中漂流圓木的運動同時計算到水流對於圓柱的作用力,圓柱本身的慣性力還有圓柱之間與堰體的碰撞受力。在這個案例中我們考慮到五個漂流圓木與水流、堰體之間的交互作用,使用者也可以輸出堰體的受力時變圖,用來監控堰體的結構強度是否符合需求。從模擬的結果可以證明 FLOW-3D 對於漂流木運動模擬的強大計算能力。

 

 

圖一:漂流木流經矩形堰的幾何定義與計算區域

 

圖二:漂流木流經矩形堰位置時變圖

小結:

漂流木的運動行為是堰體結構設計的重要考量之一,過去因為數值軟體本身功能的限制,造成工程師鮮少利用計算流體力學軟體來分析堰體受到漂流木的衝擊影響。此外一般計算流體力學軟體普遍存在操作上的困難度,往往使用者在還沒能利用軟體來解決問題之前,必須先要去解決軟體本身帶來的問題。 FLOW-3D 提供一個嶄新而友善的操作介面,利用簡單的矩形正交網格來模擬複雜的幾何和移動問題,可以有效降低軟體導入的困難度,讓工程師可以在最短的時間使用這個數值分析工具來協助水利工程設計。