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VirtualFlow | 地下车库进水仿真计算
随着全球气候变暖和人类活动对自然环境的破坏,近些年强自然灾害越来越频繁,给人民群众生命财产安全带来巨大威胁。2021年7月20日,河南省郑州市发生了“7.20”特大暴雨,最高降水量达到200mm/小时以上,城市陷入一片汪洋。


在类似的特大暴雨灾害中,地下空间,如地铁(包括地铁站,隧道)、地下车库、地下通道等,由于地势底,极易发生积水,且由于地下空间落差大、内部建筑结构复杂,会造成水流速度大,水流运动复杂。借助CFD仿真方法,可以提前模拟在一定降水量的条件下,地下空间的进水过程,为地下空间建筑设计、排水系统设计、逃生通道设计、避难点设置提供参考。


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地下车库进水仿真计算

在现代城市中,为了深入利用城市空间,在居住、交通各领域设计了大量的地下设施,这些地下设施中的地下车库、地铁站、地下通道等均属于容易遭受水淹,此类设施在设计之初,就应对暴雨可能造成的洪水侵入进行预先研究,合理设置排水口和应急避难出口,以避免对人身安全造成威胁。


VirtualFlow


通用计算流体力学软件VirtualFlow具有领先的网格技术、丰富的多相流模型以及更多功能的拉格朗日粒子追踪方法,可以模拟单相、多相/多组分流动以及复杂流体,可用于石油&天然气、化工&过程工艺、环境&市政、水利工程、汽车等领域流体仿真分析。

VirtualFlow 独特的网格技术可实现网格自动快速生成,节约前处理时间。对于界面流问题,VirtualFlow可实现界面精确捕捉,可进行洪水、泥石流等自然灾害模拟预测,可用于水利工程溢洪道设计、蓄水、大坝溃坝计算模拟。


本案例以某小区的地下车库为例,采用VirtualFlow模拟地下车库水淹过程,计算流程如下:



1

构建地下车库空间几何模型,包括基本结构、设施(如车辆、设备)、排水口等;

2

获取进水条件,包括流量,位置;

3

构建求解域及网格;

4

设置边界条件;

5

分析计算结果,给出进水评估报告;

6

如需结构分析,可导出数据进行进一步分析。



地下车库几何模型


地下车库平面图如下:

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地下车库平面图

地下车库长约28米,宽约18米;

设置有一个车辆出入口和一个行人出入口;

车库内部共有13个停车位;

为计算简便,在不影响计算结果的前提下,对车辆结构做适当简化。




前处理


VitualFlow采用浸入表面网格技术,只需将模型浸入到结构化网格区域中即可完成前处理工作,下图为地下车库网格划分示意,本案例采用200万网格。

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计算设置

案例具体的求解设置如下:

  • 进水速度:5m/s

  • 时间步:10000

  • 时间步长:0.01s

  • 物理时间:1000s

  • 湍流模型:k-e

  • 多相流模型:Level Set

此外,边界条件为:入口设置为速度入口,车库正上方设置为壁面,人行出口设置为压力出口。

计算结果

  • 两相分布

VirtualFlow计算得到两相分布结果如下:

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可以看到,一开始水流对最前排的车辆造成冲击,并溅起大量水花,然后水流径直冲向正对入口的车库底部;随着水流的进一步侵入,水流呈回旋状蔓延至整个地库;由于地库内车辆、立柱、墙壁等结构,使得水流的流动状态特别复杂,可见大量的涌浪和涡团。


  • 速度分布

VirtualFlow计算得到水流速度分布如下:

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由图可见,水流在重力作用下逐渐加速,且车辆行驶通道由于阻挡较少,流速更快。从图中还可以明显看出水流的回旋状态。左上角区域由于水流的相互抵消,流速较慢,流动状态也较为平稳。


  • 速度矢量分布

VitualFlow计算得到的结果进一步分析速度可得到速度矢量的分布(矢量箭头表示水流方向,颜色代表矢量大小)

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以上为VirtualFlow处理地下空间进水问题的全过程,包括模型、网格、求解设置、边界条件以及结果,该案例虽然简单,但处理该问题的方法类似。

VirtualFlow可以对地下空间进水问题进行模拟,有以下应用场景:

  • 分析进水流速对地下空间的影响,大流量入水时,流速大,流场复杂,人员很难在水中保持稳定,应及时关闭进入地下空间的通道;

  • 合理设计排水口,可根据流速分析,合理设置排水口的大小方向,从而利用水流本身的流向;

  • 合理设置逃生出口,根据水流发展路径,设置逃生路线和逃生口;

  • 通过耦合结构分析,可计算水流对建筑物、车辆、人员的冲击。