CN111241757A - 基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法，属于铀尾矿库安全领域。包括以下步骤：收集铀尾矿库基本资料，利用三维建模软件建立铀尾矿库库区、坝体及下游一定范围内河道的三维模型；分区域划分三维模型的网格，确定铀尾矿库顶部及下游河道的边界条件；选择数值模拟求解方法；将数值模拟的结果与模型试验结果进行对比，验证、率定、优化数值模型；拟定计算方案，采用经优化后的三维数值模型计算不同溃坝型式溃坝影响后果；分析计算结果可靠性和合理性，给出计算区域流场、泥石流深、流量、流速变化过程的相关数据。将三维数值模拟应用到铀尾矿库溃坝研究，方法费用低廉、周期短、模拟精度高，可直观查看铀尾矿库溃坝影响。

Description

基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法

技术领域

本发明涉及铀尾矿库安全技术领域，特别是指一种基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法。

背景技术

铀尾矿库内贮存有大量未经压实的尾矿砂及澄清水，使得尾矿坝浸润线较高，在遭遇较大暴雨洪水时可能发生溃坝事故。与其他行业铀尾矿库相比，铀尾矿库作为储存大量铀尾矿而形成的较大的放射性辐射污染源，一旦发生溃坝事故，大量放射性尾矿流失库外，将造成下游环境辐射污染，严重危害下游生态环境及公众健康。

铀尾矿库溃坝分析常用的研究手段主要有理论公式法及模型试验法等。理论公式法形式简单，主要适用于二维计算，且往往与实际情况有较大误差；模型试验经过实践检验，具有高度的准确性，但模型试验花费较高、试验周期较长，且由于缩尺效应存在，对许多工程中关心的问题，利用模型试验都无法准确研究。

发明内容

本发明提出一种基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法，为全面详细研究铀尾矿库溃坝影响提供解决方法，即基于计算流体力学对铀尾矿库溃坝进行三维数值模拟研究的方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法，具体包括以下步骤：

S1，收集资料：收集铀尾矿库的基本资料，所述基本资料包括但不限于铀尾矿库设计图纸、安全分析报告和实测地形图；

S2，建立模型：利用三维建模软件建立铀尾矿库库区、坝体及下游一定范围内河道的三维模型，三维模型与铀尾矿库的基本资料相对应；

S3，设置模型：根据模型网格划分方法，分区域划分三维模型的网格；根据实际边界，确定铀尾矿库顶部及下游河道的边界条件；

S4，数值求解：选择适用的紊流数学模型、控制方程离散方法、自由表面追踪方法作为数值模拟的求解方法；

S5，对比验证：将数值模拟的结果与模型试验结果进行对比，根据对比结果验证、率定、优化数值模型；

S6，模拟计算：拟定计算方案，采用经优化后的三维数值模型，对铀尾矿库溃坝进行三维数值模拟，计算不同溃坝型式溃坝影响后果；

S7，分析结果：分析计算结果可靠性和合理性，给出铀尾矿库库址及下游计算区域流场、泥石流深、流量、流速变化过程的相关数据。

作为本发明的一个优选实施例，步骤S2具体包括以下步骤：

S201，选定模拟软件：根据项目需求及软件功能、特点，选择适用的数值模拟软件；

S202，建立三维模型：根据某铀尾矿库图纸及实测的1：1000地形图，利用三维建模软件建立铀尾矿库库区、坝体及下游一定范围内河道的初始三维模型。

作为本发明的一个优选实施例，步骤S3具体包括以下步骤：

S301，划分模型网格：确定模型网格划分方法，分区域划分三维模型网格，网格采用结构化网格；向铀尾矿库坝体下游方向为x方向，重力方向为z方向，网格的尺寸为：x＝y＝6.0m，z＝2.0m；提高铀尾矿库坝址处、下游河道变化剧烈处重点区域网格密度，以提高数值模拟精度；

S302，确定边界条件：采用标准的边界约束条件确定铀尾矿库顶部及下游河道的边界条件。

作为本发明的一个优选实施例，铀尾矿库顶部及下游河道的边界条件为：模型顶面设置为压力入口边界，底边及四周侧面设置为法向速度为零、无滑移的固体边壁，河道出口方向为自由出流，设置为压力出口边界；尾矿库下游为水田、灌木丛，下垫面的糙率n值在下游河道取0.03。

作为本发明的一个优选实施例，步骤S4具体包括

S4，数值求解：选择RNG k-ε紊流数学模型、有限体积法离散控制方程、VOF自由表面追踪方法作为数值模拟的求解方法。

作为本发明的一个优选实施例，步骤S6具体包括

S6，模拟计算：根据可能出现的溃坝型式，同时考虑遭遇不同标准洪水和坝前水位，拟定计算方案；采用经优化后的三维数值模型，对铀尾矿库溃坝进行三维数值模拟，计算不同溃坝型式溃坝影响后果。

作为本发明的一个优选实施例，步骤S7具体包括

S7，分析结果：分析计算结果可靠性和合理性，给出铀尾矿库库址及下游计算区域流场、泥石流深、流量、流速变化过程的相关数据；根据铀尾矿库下游各居民点人口、社会和经济发展情况，分析溃坝泥石流淹没范围和对下游各居民点及建筑、设施的影响程度，估算溃坝泥石流可能造成的损失。

本发明的有益效果在于：将三维数值模拟应用到铀尾矿库溃坝研究中，方法费用低廉、周期短、模拟精度高，可直观查看铀尾矿库溃坝影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法一个实施例的流程图；

图2为全部溃坝泥石流深分布云图；

图3为全部溃坝坝址流量过程线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提出了一种基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法，具体包括以下步骤：

S1，收集资料：收集铀尾矿库的基本资料，基本资料包括但不限于铀尾矿库设计图纸、安全分析报告和实测地形图；使用资料时对资料进行认真分析和校核，发现问题仔细考证，及时与提供资料的部门进行商酌。

在实测地形的时候，可以采用无人机携带摄像头拍摄的方法进行，无人机控制电路包括定位电路和高度检测电路，根据相同的定位信息，在不同的高度获取相同地点的拍摄图像或视频，基于深度神经网络和图像处理技术训练建立地形数据采集模型，将图像或视频输入智能模型，输出地形的相关数据，提高实测地形的效率。

S2，建立模型：利用三维建模软件建立铀尾矿库库区、坝体及下游一定范围内河道的三维模型，三维模型与铀尾矿库的基本资料相对应；

步骤S2具体包括以下步骤：

S201，选定模拟软件：根据项目需求及软件功能、特点，选择适用的数值模拟软件；本实例选取的数值模拟软件为Flow 3D。

S202，建立三维模型：根据某铀尾矿库图纸及实测的1：1000地形图，利用三维建模软件建立铀尾矿库库区、坝体及下游河道5 000m范围内的三维模型，模型总宽3000m，长4000m。

具体的，可采用三维建模软件CATIA建立尾矿库库区及下游河道三维地形模型：使用Autodesk Civil 3D软件，根据实测地形图建立地形曲面，并提取库区及下游河道地形坐标及高程，导出为点云数据；进入CATIA的Digitized Shape Editor模块，导入点云数据，过滤、修补点云数据；根据导入的点云数据生成mesh网格面，分析、检查、修补网格面；进入Quick Surface Reconstruction模块，生成实体地表面；进入Part模块，将地形边界投影到基准面上作为草图边界，拉伸草图至曲面，形成三维地形实体。

S3，设置模型：根据模型网格划分方法，分区域划分三维模型的网格；根据实际边界，确定铀尾矿库顶部及下游河道的边界条件；

步骤S3具体包括以下步骤：

S301，划分模型网格：确定模型网格划分方法，分区域划分三维模型网格，网格采用结构化网格；向铀尾矿库坝体下游方向为x方向，重力方向为z方向，网格的尺寸为：x＝y＝6.0m，z＝2.0m；提高铀尾矿库坝址处、下游河道变化剧烈处重点区域网格密度，以提高数值模拟精度，网格总数约1750万。

S302，确定边界条件：采用实际边界条件确定铀尾矿库顶部及下游河道的边界条件。铀尾矿库顶部及下游河道的边界条件为：模型顶面设置为压力入口边界，底边及四周侧面设置为法向速度为零、无滑移的固体边壁，河道出口方向为自由出流，设置为压力出口边界。尾矿库下游为水田、灌木丛等，下垫面情况较为复杂，糙率n值在下游河道取0.03。

尾矿库溃坝产生的泥石流可以假定为介于流体和散粒体之间的一种特殊的运动形式，可采用流体流动的能量方程和连续方程近似描述，数值模型采用如下基本假定：(1)尾矿库库区基岩及周围山体为不透水边界；(2)溃坝泥石流演进过程中，不考虑单个颗粒的体积变形；(3)溃坝泥石流为各向同性连续介质流体，其流动符合宾汉流动模型的规律；(4)不考虑溃坝泥石流对下游河道的冲刷。

S4，数值求解：选择适用的紊流数学模型、控制方程离散方法、自由表面追踪方法作为数值模拟的求解方法；

S5，对比验证：将数值模拟的结果与模型试验结果进行对比，根据对比结果验证、率定、优化数值模型；本实施例选择RNG k-ε紊流数学模型、有限体积法离散控制方程、VOF自由表面追踪方法作为数值模拟的求解方法。

VOF方法定义一个体积函数F，若单元体内充满流体，F＝1；若单元体内无流体，F＝0；单元体内同时含有流体以及空气，0<F<1，F的具体数值由单元内流体体积所占比例决定。假如液相以相w表示，α_w表示液相所占体积分数，其状态可表示为：α_w＝1，该网格全为液体；α_w＝0，该网格内无流体；0<α_w<1，该网格内即含有流体又含有空气。

S6，模拟计算：拟定计算方案，采用经优化后的三维数值模型，对铀尾矿库溃坝进行三维数值模拟，计算不同溃坝型式溃坝影响后果；本实施例根据可能出现的溃坝型式，同时考虑遭遇不同标准洪水和坝前水位，拟定计算方案；采用经优化后的三维数值模型，对铀尾矿库溃坝进行三维数值模拟，计算不同溃坝型式溃坝影响后果。

S7，分析结果：分析计算结果可靠性和合理性，给出铀尾矿库库址及下游计算区域流场、泥石流深、流量、流速变化过程的相关数据。根据铀尾矿库下游各居民点人口、社会和经济发展情况，分析溃坝泥石流淹没范围和对下游各居民点及建筑、设施的影响程度，估算溃坝泥石流可能造成的损失。本实例铀尾矿库瞬时全部溃坝泥石流深分布云图见图2，瞬时全部溃坝坝址处最大流量可达52 000m³/s，见图3。

本发明提出基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法，方法费用低廉、周期短、模拟精度高，可直观查看铀尾矿库溃坝影响。本发明具有以下优点：

1)填补数值方法模拟铀尾矿库溃坝方法的空白

本发明提供了一种基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法，填补了数值方法模拟铀尾矿库溃坝方法的空白。

2)成本低

数值模拟方法不需要购买试验设备、材料等，人员、设备等成本均大大低于铀尾矿库溃坝模型试验。

3)周期短

数值模拟通过建立铀尾矿库溃坝三维数值模型，对溃坝泥石流流速、深度、影响范围等进行模拟。从建立数值模型、进行模拟，到得到模拟结果并进行分析，仅需数天时间，远远短于溃坝模型试验所需的时间。

4)无缩尺效应影响

数值模拟可不必考虑模型试验中不可避免的缩尺效应，直接对铀尾矿库原型进行溃坝研究，获得更为直接、详尽的数据。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1，收集资料：收集铀尾矿库的基本资料，所述基本资料包括但不限于铀尾矿库设计图纸、安全分析报告和实测地形图；

S2，建立模型：利用三维建模软件建立铀尾矿库库区、坝体及下游一定范围河道内的三维模型，三维模型与铀尾矿库的基本资料相对应；

S3，设置模型：根据模型网格划分方法，分区域划分三维模型的网格；根据实际边界，确定铀尾矿库顶部及下游河道的边界条件；

S4，数值求解：选择适用的紊流数学模型、控制方程离散方法、自由表面追踪方法作为数值模拟的求解方法；

S5，对比验证：将数值模拟的结果与模型试验结果进行对比，根据对比结果验证、率定、优化数值模型；

S6，模拟计算：拟定计算方案，采用经优化后的三维数值模型，对铀尾矿库溃坝进行三维数值模拟，计算不同溃坝型式溃坝影响后果；

S7，分析结果：分析计算结果可靠性和合理性，给出铀尾矿库库址及下游计算区域流场、泥石流深、流量、流速变化过程的相关数据。

2.根据权利要求1所述的基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：

S201，选定模拟软件：根据项目需求及软件功能、特点，选择适用的数值模拟软件；

S202，建立三维模型：根据某铀尾矿库图纸及实测的1：1000地形图，利用三维建模软件建立铀尾矿库库区、坝体及下游一定范围内河道的初始三维模型。

3.根据权利要求1所述的基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下步骤：

S301，划分模型网格：确定模型网格划分方法，分区域划分三维模型网格，网格采用结构化网格；向铀尾矿库坝体下游方向为x方向，重力方向为z方向，网格的尺寸为：x＝y＝6.0m，z＝2.0m；提高铀尾矿库坝址处、下游河道变化剧烈处重点区域网格密度，以提高数值模拟精度；

S302，确定边界条件：根据实际边界条件确定铀尾矿库顶部及下游河道的边界条件。

4.根据权利要求3所述的基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法，其特征在于，铀尾矿库顶部及下游河道的边界条件为：模型顶面设置为压力入口边界，底边及四周侧面设置为法向速度为零、无滑移的固体边壁，河道出口方向为自由出流，设置为压力出口边界；尾矿库下游为水田、灌木丛，下垫面的糙率n值在下游河道取0.03。

5.根据权利要求1所述的基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法，其特征在于，步骤S4具体包括

S4，数值求解：选择RNG k-ε紊流数学模型、有限体积法离散控制方程、VOF自由表面追踪方法作为数值模拟的求解方法。

6.根据权利要求1所述的基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法，其特征在于，步骤S6具体包括

S6，模拟计算：根据可能出现的溃坝型式，同时考虑遭遇不同标准洪水和坝前水位，拟定计算方案；采用经优化后的三维数值模型，对铀尾矿库溃坝进行三维数值模拟，计算不同溃坝型式溃坝影响后果。

7.根据权利要求1所述的基于计算流体力学的铀尾矿库溃坝三维数值模拟方法，其特征在于，步骤S7具体包括

S7，分析结果：分析计算结果可靠性和合理性，给出铀尾矿库库址及下游计算区域流场、泥石流深、流量、流速变化过程的相关数据；根据铀尾矿库下游各居民点人口、社会和经济发展情况，分析溃坝泥石流淹没范围和对下游各居民点及建筑、设施的影响程度，估算溃坝泥石流可能造成的损失。

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