基于SPH-FVM耦合方法的地下空间洪水漫延问题数值模拟研究

Urban underground inundation involves violent free surface flow. Numerical modelling of the violent flooding flow in complex multi-storey underground spaces simply using the grid-based methods can cause inaccuracies in capturing the free surface, and also have difficulty in simulate the local dynamic flow features. Whereas, the Lagragian meshfree method is difficult to handle dynamic flooding inlet and outlet boundaries, and it is extremely computationally expensive to simulate large-scale flooding problems based on the meshfree particle method. Therefore, it has currently become an important research issue to accomplish the numerical modelling of underground inundation problems with high-fidelity and high-efficiency. In this project, we will place emphases on the development of a SPH-FVM coupling method for two dimensional and three dimensional complicated problems with moving free surface, which can deal with underground flooding flow involving dynamic flooding inlet and outlet boundaries, violent free surface and interactions between flooding flow and floating objects by employing the powerful GPU parallel computing technique. This project is expected to provide proper methods and codes for physical analysis of violent flooding flow in complex multi-storey underground spaces and provide technical supports in risk assessment of underground flood evolution.

城市地下空间洪水漫延过程中涉及剧烈变化的自由液面。单纯采用基于网格数值方法对复杂多层地下空间洪水漫延进行数值模拟，在捕捉移动自由液面和模拟洪水动力学特征上计算精度较差，而单纯采用无网格粒子法在处理动态出入口洪流边界以及计算效率上都具有局限性，因此如何实现对大尺度地下空间洪水漫延问题进行高置信度和高效率的数值模拟，是目前一个具有重要理论意义和应用价值的研究课题。本项目将重点研究和发展适用于模拟复杂两维和三维自由表面流问题的SPH-FVM耦合方法，并开发基于GPU并行加速的高效率数值计算程序，使其能够处理含有动态出入口洪流边界、剧烈变化自由液面以及流体与漂浮物作用的地下空间洪水漫延问题。研究成果有望为多种洪灾情景下复杂多层地下空间洪水水流动力学特性分析和洪灾演化风险评估提供重要的方法基础和程序支撑。

近年来，受气候变暖、极端气象条件以及大规模城镇化导致的“热岛效应”和“雨岛效应”的影响，由堤坝溃决、暴雨内涝等造成的城市地下空间水灾已成为世界上尤其是我国城市公共安全中一个非常突出的问题。地下空间洪水漫延过程中涉及剧烈变化的自由液面，单纯采用基于网格数值方法对地下空间洪水漫延进行数值模拟，在捕捉移动自由液面和模拟洪水动力学特征上计算精度较差，而单纯采用无网格粒子法在处理洪流出入口边界以及计算效率上都具有局限性。针对地下空间洪水漫延问题的高置信度和高效率数值模拟研究，本项目开展了大量研究工作，取得的主要研究成果如下：1）采用SPH方法并利用GPU并行加速，建立开发了楼梯上有“人体”站立的地下空间三维复杂楼梯流数值计算模型；2）基于有限体积法求解浅水波方程和基于SPH方法求解纳维斯托克斯方程，构建了适用于城市街区地面降雨洪水流侵地下空间的SPH-FVM耦合方法模型；3）基于构建的地下空间三维复杂楼梯流模型，拓展建立了由多种楼梯连接的双层地下空间洪水演进数值计算模型；4）开发了洪水中漂浮物运动数值计算模型，模拟分析了漂浮物随洪水在城市复杂街区地表演进的运动过程和洪水流侵地下空间过程中漂浮物和洪流的作用情况。此外，考虑到地下空间洪水应急抢险决策时对地下空间洪灾演化风险预测评价的时效性需求和动态影响因素的模拟评估需求，本项目还建立了基于贝叶斯网络的地下空间洪水漫延风险快速预测评价模型，另外也采用集合卡尔曼滤波数据同化方法，建立了在洪水演进模拟上有重要应用前景的基于FVM方法的流体输运扩散预测矫正模型。本项目研究成果能为地下空间洪水流动动力学特性分析和洪灾演化风险评估提供重要的方法基础和程序支撑。