【EDF开源CAE】使用TELEMAC-MASCARET模拟平坦河床条件下的三维悬沙迁移


 
【EDF开源CAE】使用TELEMAC-MASCARET模拟平坦河床条件下的三维悬沙迁移的图1

TELEMAC-MASCARET是法国电力集团(EDF)的法国国立水利与环境实验室开发的一款研究水动力学和水文学领域的高性能数值仿真开源软件。基于有限元法,使用不规则三角网格,让复杂的海岸线和河口的描绘更为精确。该软件可以构建1D,2D和3D水动力学模型以解决波浪传播, 波浪振动特性,水质污染,泥沙输运和海床形态变化等问题,拥有丰富的用户技术支持和广泛的工业应用及验证。

研究背景

   
有关 三维悬沙迁移的模拟一直是一个非常具有挑战性的任务。 这主要是由于一方面当前科学界对复杂条件下泥沙与湍流间相互作用情况的认识相对匮乏,另一方面当前的数值模拟技术对流场和泥沙大梯度分布情况的计算本身具有一定的困难。

【EDF开源CAE】使用TELEMAC-MASCARET模拟平坦河床条件下的三维悬沙迁移的图2

在本案例中,我们将尝试使用TELEMAC-MASCARET进行这项挑战,并用三维数值模拟的结果和实验数据进行对比验证。

研究目的

   
为了区分粒子在湍流场中的影响,在实验设计上我们选择进行 饥饿河床实验 ,即流体在初始条件下的泥沙含量为0,而在实验过程中不断加入泥沙直至饱和。 计算工具方面,本次数值模拟将由TELEMAC-MASCARET软件下的 TELEMAC-3D模块 进行。
湍流模型 对复杂流体条件下流场和泥沙分布的预测以及泥沙传输速率的准确计算起着至关重要的作用。最简单的湍流模型是基于湍流黏度与局部流速或特征长度成比例的假设,由此可见湍流黏度的值十分取决于局部流动条件。
除此之外,广泛使用的k-ε湍流模型可以通过计算一个二元方程组来确定湍流动能k以及耗散率ε,再以此计算湍流黏度。 使用k-ε湍流模型的好处在于其已经在浮力项中考虑到了泥沙诱导的分层效应,因而简化了设定的流程。 另外在湍流黏度模型中,泥沙浓度对湍流模型的影响一般可用阻尼函数方程表示。

TELEMAC-3D以及其中Sedi-3D模组计算的准确性,所有的计算结果将与D.A.Lyn博士在其博士论文中展示的实验结果进行比对。(注:TELEMAC-MASCARET V8P2版本中泥沙模块已更新为GAIA,支持二维及三维悬沙、床沙输运数值仿真计算。)

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结论与展望

   

在与Lyn 博士的实验数据进行对比之后,我们发现k-ε湍流模型相较于NML方法而言更加适用进行三维悬沙迁移计算。当前在简化条件的情况下使用TELEMAC-3D模型可以获得相对准确的结果,这验证了该模型的准确性。然而由于三维悬沙迁移案例一般十分复杂,若是要用于实际案例计算则需要进一步的研究和工作。

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