張社榮,張耀飛,王 超,王梟華

(1.天津大學水利工程智能建設(shè)與運維全國重點實驗室,天津 300072; 2.天津大學建筑工程學院,天津 300072)

作為推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的6條實施路徑之一,智慧水利建設(shè)需要以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線,以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑,具備包含預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案在內(nèi)的“四預(yù)”功能體系。其中,如何完成數(shù)字化統(tǒng)一場景的搭建,開展高保真的智慧化全過程模擬并輔助決策是智慧水利建設(shè)的重點攻關(guān)難題。同時,面向2035年的災(zāi)害事故智慧應(yīng)急科技發(fā)展戰(zhàn)略指出,重大工程的非線性、強耦合行為以及損傷、破壞、倒塌演化全過程的監(jiān)測、試驗、建模、計算、控制和設(shè)計等研究還存在著許多尚未解決而又亟須解決的關(guān)鍵科學問題[1],如災(zāi)害鏈傳遞原理不清晰、缺少能夠支撐統(tǒng)一場景的災(zāi)害鏈演化仿真工具、多領(lǐng)域仿真工具難以相互集成、多機理模型驅(qū)動下的耦合仿真無法形成數(shù)據(jù)通路等。此外,跨領(lǐng)域、多災(zāi)種、全流程的風險分析與評估系統(tǒng)研發(fā)不足,遠不能滿足未來經(jīng)濟社會發(fā)展對應(yīng)急管理精準化水平的實際需求。面向大規(guī)模災(zāi)害的計算分析工具欠缺,特別是災(zāi)損評價的精準化計算方法和工具,無法滿足智慧應(yīng)急對相關(guān)參數(shù)精準度的需求?；诙喑叨葘嶒?、大計算、大數(shù)據(jù)的高度融合來研發(fā)重大綜合災(zāi)害耦合實驗和模擬技術(shù),構(gòu)建具有高度智能化的情景推演和綜合分析平臺,是國家公共安全保障的重大需求[2]。

由于重大綜合災(zāi)害耦合效應(yīng)的復(fù)雜性,往往無法將涉及多相多場的災(zāi)害鏈順次進行連續(xù)性數(shù)值模擬。例如,對于重力壩壩體的極端動力非線性分析結(jié)果,盡管可以給出壩體的損毀位置、損毀程度和破壞模式等信息,但對結(jié)構(gòu)損毀后的塊體運動、庫水下泄和洪水演進過程,由于軟件接口及效率限制,很難使用多種數(shù)值模擬方法進行統(tǒng)一場景下的連續(xù)性模擬。因此,完全依賴數(shù)值模擬方法實現(xiàn)樞紐尺度極端工況的動力災(zāi)害鏈傳遞全過程模擬具有很大難度。同時,對自然災(zāi)害和極端事故災(zāi)害的效應(yīng)場景預(yù)演和預(yù)測,也不能一味追求可視化的場景表達而忽視災(zāi)變過程的物理機制。

在計算機圖形學方面,結(jié)構(gòu)的損毀、損毀體的剛體運動、流體性態(tài)等都可以很好地用數(shù)值模擬軟件模擬表達,然而模擬的精細程度要求越高,這種效果的表達受到的制約越多且耗時越長。因此,精細化尤其是多元耦合(有限元及離散元)情況下的數(shù)值模擬方法更易受到計算效率限制,并不適合用于工程尺度和實時模擬。目前,基于物理引擎的模擬方法被很多學者關(guān)注。物理引擎[3]是模擬環(huán)境中物體運動、場景變化、物體與場景間、物體與物體間交互作用和動力學特性效果的軟件,專門用來模擬場景中復(fù)雜的物理運動,如破碎、水流沖擊運動、流體運動等。物理引擎在建筑垮塌全過程視景模擬[4]中已經(jīng)得到較好的應(yīng)用,基于物理引擎的建筑物垮塌過程模擬,是蘊含物理力學機制的科學性和可視化表達實時性的統(tǒng)一,給水利水電工程領(lǐng)域自然災(zāi)害和事故災(zāi)難的監(jiān)測與預(yù)警、風險評估與預(yù)防、應(yīng)急處置與救援、綜合保障等環(huán)節(jié)帶來了新的思路。

針對重大綜合災(zāi)害耦合模擬問題,國內(nèi)外學者已經(jīng)取得了一些研究成果。例如:在情景推演技術(shù)方面,美國國土安全部提出了15種重大突發(fā)事件情景[5-6];Heginbotham等[7]開展了戰(zhàn)略層面的情景推演研究;鄧青等[2]提出了基于增強的真實操作、虛擬模擬、構(gòu)造模擬(E-LVC)技術(shù)的重大綜合災(zāi)害耦合情景推演方法,以及多尺度實驗、大規(guī)模計算、大數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)場態(tài)勢的綜合集成分析方法,實現(xiàn)了虛實增強的重大綜合災(zāi)害情景的四維建模;杜志強等[8]基于三維粒子系統(tǒng),進行了雪災(zāi)模擬與實時繪制;王豪等[9]引入物理引擎技術(shù),構(gòu)建了崩塌動力學理論與計算機模擬技術(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系,研發(fā)了基于Unity3D的崩塌運動過程三維模擬系統(tǒng),模擬了崩塌運動過程中撞擊碎裂物理過程;郭晶晶[10]基于破碎動力學,結(jié)合PhysX物理引擎和RealFlow流體動力學模擬軟件對水閘倒塌后的水流演進過程進行了場景模擬;張景奎等[11]應(yīng)用三維可變形離散元程序(3DEC)及其強大的二次開發(fā)功能,進行了高拱壩地震災(zāi)變破壞機理與潰壩仿真分析;王乃欣[12]基于3ds Max、RealFlow等軟件將建筑物模型、三維地面模型等進行融合,再現(xiàn)了土石壩潰口發(fā)展、邊坡坍塌、洪水研究的全過程模擬?？梢姳姸鄬W者已開始對重大綜合災(zāi)害耦合模擬方法進行探索,但是這些研究大多還停留在對軟件的應(yīng)用上,對災(zāi)變過程的物理機制考慮較少,對災(zāi)害鏈傳遞在模擬過程中的體現(xiàn)較淺,同時在模擬過程中多采用人工方式來建立和修改模型,使得模型的精度較低且建模過程費時費力。此外,物理引擎在流體模擬方面更適合高擬真度視景動畫的生成,與計算流體力學軟件有一定差距,其科學性有待考證。但Zheng等[4]研究證明,物理引擎在塊體碰撞運動模擬過程實時化方面相對于數(shù)值模擬工具來說具有更加高效的優(yōu)勢且較為真實。

鑒于此,本文綜合運用數(shù)值模擬工具和物理引擎軟件,提出一種包括極端動力災(zāi)害-結(jié)構(gòu)破壞-壩頭拋出-庫水宣泄-洪水演進-洪水災(zāi)害在內(nèi)的災(zāi)害鏈傳遞混合模擬方法,以期為災(zāi)害耦合效應(yīng)的順次連續(xù)性模擬和事故災(zāi)害的預(yù)演預(yù)測問題提供可行思路。

1 混合模擬方法及其原理

統(tǒng)一場景是建筑物、自然背景、流場動態(tài)等可視化模型的集成體,在此場景下可開展多模擬手段、多屬性、多尺度,多相、多場等情況下災(zāi)害鏈傳遞過程的混合模擬。本文借助Blender軟件建立統(tǒng)一場景,將數(shù)值模擬與物理引擎模擬相結(jié)合,明確災(zāi)害鏈的節(jié)點模擬與參數(shù)傳遞之間的關(guān)系,從而實現(xiàn)貫穿整個災(zāi)害鏈的物理及力學機制的傳遞與集成,并借助高擬真度的渲染引擎實現(xiàn)統(tǒng)一場景下整個災(zāi)害鏈傳遞過程的可視化。以重力壩樞紐尺度動力災(zāi)害鏈傳遞過程仿真為例,首先使用數(shù)值模擬工具對極端動力荷載作用下的建筑物進行模擬分析,然后使用物理引擎進行塊體碰撞模擬,并與計算流體力學模擬結(jié)果進行場景耦合,完成模型映射、流體模擬及場景渲染?；旌夏M方法數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程見圖1,主要分為數(shù)值模擬、物理引擎模擬及災(zāi)害鏈傳遞混合模擬3部分。

圖1 災(zāi)害鏈傳遞混合模擬方法數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程

1.1 數(shù)值模擬

本文使用數(shù)值模擬工具進行建筑物結(jié)構(gòu)物理場(位移、變形、強度等)及破壞模式、水流流體性態(tài)分析。雖然模擬方法為通用方法,但不同數(shù)值模擬工具使用方式及原理不同,應(yīng)根據(jù)具體軟件具體分析。

在結(jié)構(gòu)性態(tài)分析方面,使用LS-DYNA(SMP R11.1.0)軟件進行混凝土重力壩在爆破荷載作用下的數(shù)值模擬,得到極端動力荷載作用下的模擬結(jié)果并進行破壞模式分析,確定變形情況、損傷單元位置及壩體斷裂關(guān)鍵幀等基本信息,為幾何模型映射及屬性映射建立基礎(chǔ)。具體數(shù)值模擬分析方法及原理可參考文獻[13]。

在流體性態(tài)分析方面,使用Flow-3D(V11.2)軟件進行三維流體模擬,獲取洪水演進性態(tài)。Flow-3D基于流體體積法追蹤液-液或液-固交界面并結(jié)合有限差分法求解三維N-S方程,可采用多網(wǎng)格體的方法進行建模,能快速生成流體演進過程并反映流體性態(tài)(流量、流速、壓強等),具有模擬速度快、效果好、科學性強、可使用二三維耦合模擬等特點。洪水屬于不可壓縮流體的湍流運動,根據(jù)實際情況選用RNGk-ε湍流模型,其主要控制方程參考文獻[12-16]選定。采用truVOF方法追蹤自由表面流動,求解水氣兩相的體積分數(shù)連續(xù)方程,以此確定自由液面位置,具體原理可參考文獻[17-19]。

1.2 物理引擎模擬

為保證整個災(zāi)害鏈傳遞過程模擬的完整性與真實性,在開展流體模擬及物理引擎模擬前需將變形、位移、破壞模式等進行多軟件之間大小尺度時間與空間范圍的集成。本文通過開發(fā)腳本,在Blender軟件構(gòu)建的統(tǒng)一場景中重構(gòu)重力壩數(shù)值模擬模型,將結(jié)構(gòu)模擬結(jié)束點作為流體模擬初始點,即一種災(zāi)害的終結(jié)(動力災(zāi)害)作為下一種災(zāi)害(洪水災(zāi)害)的起始,搭建災(zāi)害鏈并完成災(zāi)害鏈的傳遞過程,在此基礎(chǔ)上進行塊體的剛體動力學及流體沖擊模擬。

物理引擎是一種基于牛頓力學定律的計算機軟件,它能夠近似模擬離散塊體之間的復(fù)雜物理行為,其在塊體的大位移分析方面具有占用資源少、快速實時兼具準確性的優(yōu)勢,物理引擎原理可見文獻[20]。本文使用平滑粒子流體動力學(SPH)算法對水流沖擊下斷裂、破損的壩頭的運動情況進行模擬,可同時獲取壩頭運動狀態(tài)及基于物理引擎的水流模擬結(jié)果。SPH算法基于拉格朗日粒子法,通過描述粒子的位置、溫度等變量隨時間的變化情況來描述流體運動,設(shè)定粒子的物理屬性來模擬流體與其他物體的碰撞響應(yīng)[21],其基礎(chǔ)理論可見文獻[22]。

1.3 災(zāi)害鏈傳遞混合模擬

本文涉及災(zāi)害為極端動力災(zāi)害及洪水災(zāi)害,屬于原生災(zāi)害發(fā)生后在短時間內(nèi)直接觸發(fā)次生災(zāi)害的短期災(zāi)害鏈范疇[23]。

以爆破作用導(dǎo)致潰壩洪水災(zāi)害為例,災(zāi)害鏈的完整鏈條包括極端動力災(zāi)害-結(jié)構(gòu)破壞-壩頭拋出-庫水宣泄-洪水演進-洪水災(zāi)害6個方面(以“開始-①-②-③-④-結(jié)束”來描述),鏈條頭尾之間通過四節(jié)點銜接從而完成災(zāi)害鏈的傳遞過程。為支撐完整災(zāi)害鏈傳遞模擬,應(yīng)針對中間節(jié)點①、②、③、④分別采用適合的方法以完成節(jié)點模擬及中間核心參數(shù)的傳遞(圖2),形成一體化混合模擬方案。

圖2 災(zāi)害鏈傳遞混合模擬關(guān)鍵節(jié)點及參數(shù)

節(jié)點①、③、④使用數(shù)值模擬方法完成,節(jié)點②使用物理引擎模擬方法完成。節(jié)點銜接應(yīng)重點分析中間核心參量的組成:

a.參數(shù)1指極端動力災(zāi)害作用。

b.參數(shù)2指損傷因子。依據(jù)節(jié)點②壩頭拋出模擬需求,應(yīng)獲取重力壩壩頭斷裂部位?？山柚?jié)點①獲取的損傷因子值判斷單元損傷情況,以損傷單元完全貫穿壩頭為控制條件,獲取斷裂部位。

c.參數(shù)3指潰口形狀及位置。潰口形狀及位置受到前置模擬結(jié)果影響并且一定程度上決定庫水宣泄的水流過程,因此取該組合為參數(shù)3。此結(jié)論依據(jù)庫水宣泄模擬所采用的數(shù)學模型總結(jié)而來,應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)選取的實際計算方法具體分析。數(shù)學模型和物理實驗同樣是研究洪水過程的一個重要手段[24-27],節(jié)點③庫水宣泄模擬需求可根據(jù)潰壩流量過程的數(shù)學模型確定,水流動態(tài)過程可由水庫庫容的連續(xù)方程、潰口沖刷規(guī)律和潰口水流流動規(guī)律來決定。從水量平衡角度出發(fā),可得出潰壩洪水宣泄時的水量平衡方程

(1)

式中:V為水庫庫容;t為時間;Qin為入庫流量;Qout為通過潰口的出流量。對于潰口流動問題,以美國國家氣象局FLDWAV模型[28]為例,其數(shù)學模型為

(2)

式中:Cv為行進流速改正系數(shù);Ks為反映潰口下游淹沒情況的改正系數(shù);Cd為流量系數(shù),為一常數(shù);g為重力加速度;R為淹沒指標參數(shù);bs為潰口瞬時底寬;hi、hi+1分別為i、i+1時刻的壩上游水位;hb為潰口底部高程;z為潰口邊坡;Bd為壩趾處河道峽谷寬度;hbm為潰口發(fā)展最終高程,本研究中hbm=hb。潰口底部高程及潰口底寬由潰口形狀及位置決定,且受到前置模擬結(jié)果的影響,因此取該組合為參數(shù)3。本文沿鏈條采用關(guān)聯(lián)追溯的方式關(guān)聯(lián)至參數(shù)2得到壩體斷裂情況從而確定參數(shù)3。關(guān)聯(lián)追溯指的是從一個依據(jù)參數(shù)2確定的損傷單元出發(fā),尋找與其有共同結(jié)點的其他損傷單元并不斷迭代,將所有相關(guān)聯(lián)的損傷單元作為整體,并從單元垂直方向的中間位置切分單元,斷裂單元相連接便形成了表面光滑的貫穿裂縫,從而確定參數(shù)3所包含的潰口具體位置、底部高程及潰口邊坡等參數(shù)。最終根據(jù)隨庫水下泄而隨時間發(fā)生變化的壩上游水位得到潰口流量過程,傳遞至節(jié)點③得到庫水宣泄的數(shù)學模型求解結(jié)果。本文使用Flow-3D軟件精細化模擬三維形態(tài)下的庫水宣泄過程,潰口形狀及尺寸在處理后的三維結(jié)構(gòu)模型中體現(xiàn),原理可見第1.1節(jié),實現(xiàn)方法可見第2.1節(jié)。

d.參數(shù)4指潰口流量過程線。節(jié)點③借助Flow-3D軟件可模擬獲取潰口處流量過程線,以供更大尺度場景的節(jié)點④洪水演進模擬應(yīng)用。

e.參數(shù)5指淹沒水深、洪峰流量、洪水行進速度、洪水淹沒范圍等洪水災(zāi)損評估參數(shù),由節(jié)點④模擬獲取,可采用Flow-3D、MIKE21等流體動力學模擬手段完成。

2 跨平臺數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)程序設(shè)計

混合模擬方法及其原理為全流程的多災(zāi)害順次連續(xù)模擬提供了可行思路,但要真正實現(xiàn)災(zāi)害鏈傳遞的一體化模擬,就要自主編程,通過程序設(shè)計開發(fā)相應(yīng)的平臺工具形成完整框架,以解決鏈條中關(guān)鍵的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)(參數(shù)獲取及傳遞)問題。

2.1 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)程序框架

混合模擬方法的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)程序框架由5個模塊組成:

a.數(shù)值模擬。使用數(shù)值模擬工具對建筑物進行數(shù)值分析,之后根據(jù)分析結(jié)果確定建筑物失去擋水能力的關(guān)鍵幀并提取這一時刻之前每個分析幀的幾何及屬性信息。此數(shù)據(jù)將用于三維模型重構(gòu)。

b.三維模型重構(gòu)及處理。獲取數(shù)值模擬結(jié)果后,將分析結(jié)果每一幀對應(yīng)的幾何、屬性數(shù)據(jù)映射至統(tǒng)一場景中進行三維模型重構(gòu),最后進行模型處理工作。

c.模型集成。將三維地形模型傳入統(tǒng)一場景后,將重構(gòu)的三維模型與地形模型相互集成并建立初始狀態(tài)水體模型,形成流體動力學模擬場景。

d.流體模擬?；旌夏M方法在進行流體模擬時有物理引擎模擬及流體力學軟件模擬兩種途徑。物理引擎模擬將壩頭視為剛體,模擬時不考慮模型內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變,使用不同介質(zhì)之間的物理響應(yīng)來模擬碰撞現(xiàn)象,從而快速獲取其在水流沖擊作用下的運動過程及流體演進過程,即模擬壩頭拋出過程。此方法在流體模擬方面相較于流體力學軟件具有擬真度高且兼具一定準確性的特點,但在科學性方面不占優(yōu)勢,若需對流體性態(tài)及關(guān)鍵參數(shù)(如淹沒范圍、面積、損失、流量等)進行分析,可選用流體力學軟件開展模擬分析,實際應(yīng)用時可根據(jù)實際需要(擬真度或科學性)靈活選用模擬手段。本研究節(jié)點②物理引擎模擬可借助RealFlow軟件,節(jié)點③、④的流體模擬(包括庫水宣泄及洪水演進)均選用Flow-3D軟件,此時參數(shù)4(流量過程線)為模擬過程產(chǎn)物,也可導(dǎo)入其他軟件中(如MIKE21)進行節(jié)點④洪水演進模擬的驗證。物理引擎模擬及流體模擬二者可同步進行與加載。使用物理引擎模擬時設(shè)置斷裂壩體的壩頭部分為活動剛體,除水體外的模型設(shè)置為被動剛體,水體模型設(shè)置為流體發(fā)射器,以此方式開展模擬獲取流體網(wǎng)格及剛體運動過程。同時,在Flow-3D軟件中劃分模型網(wǎng)格,完成邊界條件、求解器和初始條件等設(shè)定后便可開展流體模擬。模擬可選用湍流模型中的RNGk-ε模型,流體選用20℃下的水流,表面粗糙度可取0.025～0.180cm[22,29-30],網(wǎng)格劃分可使用軟件自帶剖分工具一鍵剖分,采用GMRES隱式求解器計算,設(shè)置初始水位及時間步長后開展模擬,若需要輸出某一特定斷面的流體特征值,可在斷面處設(shè)置單獨的Flux Surface,以便輸出該斷面的流量、流速、壓強等變化過程。在模擬時若受到性能限制,也可在需要觀察水流細節(jié)處采取三維模擬形式,樞紐或流域場景下使用淺水方程模擬,以二三維耦合模擬形式減少計算量和計算時間。但多種維度耦合模擬的方法非本文重點,本研究淹沒過程均以三維模擬的形式完成,以便將Flow-3D及RealFlow軟件模擬結(jié)果相銜接。

e.場景渲染。開發(fā)腳本將各節(jié)點模擬的時間步在統(tǒng)一場景中完成映射及對應(yīng),借助Blender軟件的渲染引擎對整個災(zāi)害鏈傳遞過程進行處理。

2.2 框架實現(xiàn)關(guān)鍵點

要實現(xiàn)上述5個模塊的功能,第一個關(guān)鍵點在于如何把單一數(shù)值模擬工具的結(jié)果映射到Blender引擎中完成三維模型重構(gòu)及屬性映射,可分為幾何模型映射、關(guān)鍵幀獲取及屬性映射3個部分,據(jù)此完成物理引擎模擬以獲取參數(shù)3(潰口形狀及位置),作為后續(xù)流體模擬(節(jié)點③庫水宣泄與節(jié)點④洪水演進模擬)的初始條件;第二個關(guān)鍵點是如何將流體沖擊模擬結(jié)果與流體性態(tài)模擬結(jié)果統(tǒng)一集成。

a.幾何模型映射。在進行數(shù)值模擬時,使用的模型的形狀不一定是規(guī)則的,而物理引擎提供的基礎(chǔ)模型往往是立方體、球體、柱體等規(guī)則形狀。雖然能夠在物理引擎中通過編輯網(wǎng)格對剛體形狀進行修改使物理引擎模擬模型的位置、形狀與數(shù)值模擬模型相似,但這一步驟無疑增加了工作量。因此提出一種將數(shù)值模擬模型直接轉(zhuǎn)換為物理引擎剛體模型的方法。使用Blender軟件底層Python API進行二次開發(fā)完成幾何模型映射。如圖3所示,首先根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果獲取單元及結(jié)點數(shù)據(jù),單元數(shù)據(jù)包含結(jié)點組成,結(jié)點數(shù)據(jù)包含每個結(jié)點的笛卡爾坐標,其中P指結(jié)點,F指面。通過觀察數(shù)值模擬網(wǎng)格面中結(jié)點的組合規(guī)律,制作Python腳本將單元及結(jié)點數(shù)據(jù)進行處理后重組為面集合,使用Blender軟件中Python API按照點→線→面建模方式完成模型單元映射,最后將所有單元均進行映射便可得到完整的Blender幾何模型。

圖3 幾何模型映射方法

b.關(guān)鍵幀獲取。從災(zāi)害鏈傳遞角度出發(fā),需要明確極端動力荷載造成的災(zāi)害與洪水災(zāi)害之間的鏈接方式。對大壩來說就是要找到壩體失去全部或部分擋水能力而導(dǎo)致洪水災(zāi)害的時刻,即建筑物完全裂穿的關(guān)鍵幀,對應(yīng)于節(jié)點②壩頭拋出的開始時刻。在本混合模擬框架中,通過數(shù)值模擬獲取了模型的小變形結(jié)果及單元的破壞情況,當破壞單元貫穿壩體模型后,壩頭部分可能會在水流沖擊下拋出,水流會順著潰口流出導(dǎo)致庫水宣泄、洪水演進致災(zāi),因此需確定壩體在極端動力荷載作用下完全貫穿的時刻Te及其對應(yīng)幀,以此作為洪水災(zāi)害的起始點(物理引擎模擬起始幀)。模型單元是否發(fā)生破壞可根據(jù)其損傷因子進行判斷,本混合模擬框架認為當單元損傷因子(參數(shù)2)大于臨界值時便出現(xiàn)宏觀裂縫并失去作用[31-32](本文損傷因子臨界值參考文獻[33]設(shè)置為0.7)。確定損傷因子臨界值后,選取損傷單元完全貫穿壩體的時刻為Te時刻,取其對應(yīng)幀為物理引擎模擬起始幀。

c.屬性映射及模型處理。在獲取關(guān)鍵幀后,需將屬性映射至物理引擎剛體模型中,在此基礎(chǔ)上完成模型處理工作。本混合模擬框架主要涉及的屬性包括變形及損傷因子兩方面,分別反映小變形狀態(tài)及單元破壞狀態(tài)。將數(shù)值模擬的分析幀與Blender軟件中的時間幀相對應(yīng),在對應(yīng)幀處進行該分析幀的幾何模型映射從而完成模型的變形映射。損傷因子是以單元消除的形式呈現(xiàn),根據(jù)損傷因子臨界值找出損傷單元,從面集合中清除組成這些單元的面,重組面集合并重建幾何模型從而完成損傷因子的映射。實際上也可將數(shù)值模擬結(jié)果中其他無法通過改變幾何形態(tài)來表達的屬性,如應(yīng)力、應(yīng)變、能量等以不同顏色在幾何模型上顯示從而完成此部分屬性映射,可讀取數(shù)值模擬結(jié)果每一結(jié)點的某一屬性值,在面集合中根據(jù)面所包含的結(jié)點屬性值設(shè)置所有面的漸變色,從而完成此屬性的映射。完成屬性映射后,可根據(jù)需要對模型進行進一步處理,如簡化模型從而提高物理引擎模擬性能、從整體模型中擠出懸空單元集合體使模擬更加接近真實情況、切分模型形成斷裂面的同時使得模型斷面更加平滑以方便后續(xù)水流沖擊模擬以及流體性態(tài)模擬等。使用處理后的模型完成物理引擎模擬(導(dǎo)致節(jié)點②壩頭拋出的水流沖擊模擬)以獲取參數(shù)3(潰口形狀及位置),作為流體模擬(節(jié)點③庫水宣泄與節(jié)點④洪水演進模擬)的初始條件。

d.流體沖擊與性態(tài)仿真集成?；旌夏M方法中,塊體受流體沖擊后的運動軌跡由物理引擎(RealFlow軟件)模擬完成,流體性態(tài)(流場分布,流速、流量、淹沒深度等關(guān)鍵參數(shù))由流體力學軟件(Flow-3D)模擬得到,二者需保持模擬同步并在統(tǒng)一場景中完成集成。使用混合模擬方法中的流體模擬模塊分別獲取RealFlow及Flow-3D軟件的模擬結(jié)果,并完成在Blender統(tǒng)一場景中的集成。其中RealFlow軟件可直接與Blender軟件完成幀對應(yīng)過程,即前者模擬幀與Blender渲染幀保持同步。Flow-3D軟件的模擬結(jié)果中需要其流體性態(tài)模型,使用FlowSight將其導(dǎo)出并完成與Blender渲染幀的對應(yīng)。通過Python腳本完成流體性態(tài)模型的直接讀取,并基于FlowSight導(dǎo)出的流體模型命名格式(模型名_時間步)將物理引擎塊體運動模擬的起始幀與及Flow-3D流體模擬的起始時間步對應(yīng)時刻保持同步,根據(jù)二者模擬時間步長完成幀對照并在每一時間步設(shè)置模型的顯隱狀態(tài),從而完成統(tǒng)一場景下物理引擎及Flow-3D軟件模擬結(jié)果的集成。

3 案例驗證

3.1 工程概況與模型

為了證明所提出的混合模擬方法的適用性,使用LS-DYNA、Flow-3D數(shù)值模擬工具結(jié)合物理引擎對混凝土重力壩樞紐尺度極端動力災(zāi)害鏈傳遞進行全過程模擬。假定混凝土重力壩高120m,正常蓄水位115m,潰口底高程101.22m,橫縫將整個壩結(jié)構(gòu)分成20個獨立運行的壩段,包括4個溢流壩段及16個非溢流壩段。其庫容-水位關(guān)系曲線可由下式確定[16]:

Vs(h)=ω0h+ω1h2/2+ω2h3/3

(3)

式中:Vs(h)為水位h對應(yīng)庫容;ω0、ω1、ω2為庫容曲線系數(shù),本文分別取-37.18、3.54、-0.013。工程水位-庫容關(guān)系曲線如圖4所示。潰口底對應(yīng)庫容為9877.28萬m3,正常蓄水位庫容為12542.09萬m3,陰影部分為庫水位從正常蓄水位下降至潰口底高程時宣泄的水量。

圖4 水位-庫容關(guān)系曲線

建立重力壩壩段、水體、空氣、炸藥、地基三維模型,選擇寬15m、高120m的非溢流壩段研究其在水下爆炸作用下的破壞模式,壩體上部網(wǎng)格尺寸200mm,其余部位網(wǎng)格尺寸隨距地基距離的增大而增大。使用600kg TNT炸藥,距離混凝土重力壩上游表面5m且位于水下深度5m處,炸藥及附近水體網(wǎng)格尺寸取100mm,水體網(wǎng)格尺寸隨距炸藥距離的增加而增大,具體模型建立及模擬分析參考文獻[13]進行。

三維地形模型采用該工程樞紐區(qū)場景模型,模型中有基本的地形地貌以及廠房、砂石骨料加工系統(tǒng)、橋梁乃至下游移民安置區(qū)等建筑物,為重力壩樞紐尺度災(zāi)害鏈傳遞模擬提供基本場景。

3.2 結(jié)果與分析

依據(jù)混合模擬方法,首先將LS-DYNA軟件數(shù)值模擬得到的壩體結(jié)構(gòu)損傷破壞特征映射到Blender軟件中完成三維模型重構(gòu)及處理(模型簡化、松散塊擠出、模型切分)工作,之后建立水體模型并與三維地形場景集成,完成場景搭建。此處模型簡化指的是僅保留重構(gòu)模型最外圍邊界面,將內(nèi)部面去除,從而有效減少了幾何面的數(shù)量,減輕了仿真軟件加載幾何模型的壓力,松散塊擠出及模型切分可參考第2.2節(jié)c。其中三維模型重構(gòu)的關(guān)鍵點在于損傷因子臨界值及壩體貫穿關(guān)鍵幀的確定,李宇杰等[33]指出損傷因子0.7為混凝土損傷臨界值,而LS-DYNA軟件中有效塑性應(yīng)變即為損傷因子,本案例在此基礎(chǔ)上根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果中有效塑性應(yīng)變云圖分布情況進行分析,得到壩體完全貫穿關(guān)鍵幀為第42幀,對應(yīng)時刻為0.2s,在此基礎(chǔ)上完成三維模型重構(gòu)及處理并開展流體模擬,共分為物理引擎流體沖擊模擬及流體性態(tài)數(shù)值模擬兩部分。

物理引擎模擬使用RealFlow軟件進行。在RealFlow軟件中設(shè)置所有模型在不同幀的有效性,有效性是指該模型是否在某一幀參與流體模擬。將破損壩頭部分設(shè)置為活動剛體,水體模型設(shè)置為流體發(fā)射器,其余模型均設(shè)置為被動剛體,進行流體動力學模擬獲取水流沖擊過程并生成水體粒子,將每一幀的水體粒子建立流體網(wǎng)格,模擬過程中同步輸出Alembic文件并在Blender中加載,完成流體沖擊及演進的物理引擎模擬。也可使用物理引擎開展洪水演進模擬,其具有模擬速度快、效果好的優(yōu)點,但物理引擎模擬方法無法進行進一步科學分析。綜合案例需求和各模擬方法特點,本文基于數(shù)值模擬方法開展了洪水演進模擬。

流體性態(tài)數(shù)值模擬使用Flow-3D軟件進行。在Flow-3D軟件中基于Blender軟件生成的實體模型和統(tǒng)一場景開展分析計算,獲取潰口流量過程線并在Blender中與爆破過程集成,完成災(zāi)害鏈傳遞的完整過程搭建。選用RNGk-ε湍流模型,設(shè)置重力場并將流體設(shè)置為20℃下的水流。幾何模型為重力壩樞紐場景。

采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分,為加快模擬速度,在壩體部位進行網(wǎng)格加密,網(wǎng)格單元邊長為1.8m,地形場景網(wǎng)格邊長為10m,總網(wǎng)格單元數(shù)為5544041個,活動網(wǎng)格單元數(shù)為2016388個。

模型的進口及出口均采用壓力邊界,設(shè)置水庫初始水位115m,下游初始水位0m,上游恒定流量為1000m3/s。模型頂部設(shè)置為壓力邊界,大氣壓強為101kPa,水的體積分數(shù)設(shè)置為0,表示完全是空氣,水面水平,壓力為靜水壓力。將網(wǎng)格嵌入地形內(nèi)部,與地形相接部分設(shè)置為固壁邊界,地形粗糙度設(shè)置為0.07cm。模擬時長設(shè)置為100s,設(shè)置為每0.5s步長保存一次,重置點的時間步長設(shè)置為2s,即可在2s的倍數(shù)時刻調(diào)用存儲的數(shù)據(jù)繼續(xù)進行模擬,防止模擬中斷而導(dǎo)致結(jié)果丟失。

鑒于混合模擬方法可彌補單獨使用物理引擎模擬流體缺乏科學性的缺點,對流體模擬結(jié)果進行進一步分析研究。在下游河道入口處斷面設(shè)置Flux Surface監(jiān)測面,觀察洪水流量過程(圖5)。由洪水流量過程線可以看出,在爆破災(zāi)害發(fā)生后,下游河道斷面流量驟增,峰值流量達到15850.1m3/s,后逐漸趨于平緩,最終基本穩(wěn)定在1000m3/s左右,說明此時庫水位已接近潰口底高程。除流量外,也可以借助數(shù)值模擬軟件獲取流速、壓強等數(shù)據(jù),相比于一維經(jīng)驗公式方法,二維或三維仿真模擬手段適用性更廣也更為準確。

圖5 下游河道入口洪水流量過程線

最終使用混合模擬方法將數(shù)值模擬結(jié)果以及物理引擎模擬結(jié)果同步集成至統(tǒng)一場景中,實現(xiàn)極端動力災(zāi)害-結(jié)構(gòu)破壞-壩頭拋出-庫水宣泄-洪水演進-洪水災(zāi)害導(dǎo)致洪水災(zāi)害的災(zāi)害鏈傳遞全過程模擬(圖6)。對統(tǒng)一場景下的洪水宣泄全過程模擬結(jié)果進行進一步分析發(fā)現(xiàn),對蓄水重力壩進行爆破后,在爆破作用下貫穿的壩段壩頭部分拋出形成潰口,溢流壩段水流與從潰口宣泄水流匯流后形成洪水,淹沒了部分廠房、橋梁建筑。

在此基礎(chǔ)上可進一步評估財產(chǎn)損失、制定應(yīng)急處理措施、采取預(yù)防手段等,減少災(zāi)害發(fā)生后的生命財產(chǎn)損失。本文所提出的混合模擬方法適用于防洪業(yè)務(wù)應(yīng)用場景下的災(zāi)害鏈連續(xù)性模擬,能夠有效獲取洪災(zāi)仿真預(yù)演視景并輔助進行防災(zāi)減災(zāi)決策。

4 結(jié) 語

從重力壩極端動力災(zāi)害鏈組成要素出發(fā),借助數(shù)值模擬工具及物理引擎軟件設(shè)計跨平臺數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)程序,提出基于統(tǒng)一場景的重力壩極端動力災(zāi)害鏈傳遞混合模擬方法,在混凝土重力壩樞紐尺度進行有效性及適用性驗證。結(jié)果表明,混合模擬方法能夠有效進行包括極端動力災(zāi)害-結(jié)構(gòu)破壞-壩頭拋出-庫水宣泄-洪水演進-洪水災(zāi)害在內(nèi)的災(zāi)害鏈傳遞連續(xù)性模擬,獲取洪水流量、流速等災(zāi)損評估參數(shù)及洪災(zāi)仿真預(yù)演視景。此外,混合模擬方法是一種通用方法,能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一場景下的自動化數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn),減少中間處理過程,提升應(yīng)急決策時仿真模擬的時效性。在此方法基礎(chǔ)上可不斷進行拓展,對于各種不同壩型只需明確災(zāi)害鏈傳遞的關(guān)鍵節(jié)點,使用數(shù)值模擬工具及物理引擎軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)即可完成模擬,在有災(zāi)害鏈模擬需求的應(yīng)用場景下具有良好的發(fā)展前景。