计算流体动力学(CFD)与溃坝分析(DBA)软件

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1. 引言

大坝溃坝分析(Dam Breach Analysis)属于水资源管理和水工学专业的研究领域，采矿工程和岩土工程通常研究的是"相对静态”的地下水，而溃坝研究的是"绝对动态"的地表水---洪水。

尾矿坝设计和分析的其中一项重要任务是进行调洪计算，传统的设计方法是使用简单的流量平衡方程估算百年一遇或千年一遇的洪水是否会引起尾矿坝溃坝，计算流体动力学(CFD)技术的发展使得工程师能够动态地模拟洪水的流动，进行尾矿坝的溃坝分析。

HEC-RAS尾矿坝溃坝分析

CFD是一个与采矿工程和岩土工程几乎平行的方向，对我本人来说，显然没有足够的时间和精力专门投入到这一领域，仅在尾矿坝稳定性这一部分作短暂停留，粗略地了解一下。如同岩土工程数值模拟软件一样，溃坝分析软件也可以分为通用软件(General Purpose)和专业软件(Special Purpose)。下面简要概述了这两类软件。

2. 通用CFD软件

在学术界和工业界，大概最知名的通用CFD软件是ANSYS Fluent, 除此之外，相对流行的CFD软件还有：

(1) COMSOL Multiphysics

(2) Autodesk CFD

(3) SimScale

(4) CFD Module

(5) Simcenter

(6) Flowsquare

(7) Altair HyperWorks Suite

(8) Solidworks Flow Simulation

(9) SimulationX

(10) PIPESIM

(11) SU2

(12) FLOW-3D

最流行的开源CFD软件是OpenFOAM。不过通用CFD软件大多数不是专为水资源管理和土木工程设计的，虽然也能分析类似溃坝之类的问题，但其功能极其有限，其中最大的局限是不能有效地合并GIS，而GIS是溃坝分析的必要条件之一。

3. 专用CFD软件

大坝溃坝分析是为了评估与大坝溃坝相关的潜在危险，通过溃坝分析生成的地图通常用于制定应急行动计划。专用的CFD调洪软件能够模拟洪水流动和溃坝分析，这样的软件有：

(1) SimFlow

(2) FLOW-3D HYDRO

(3) FLO-2D

(4) Mike 21

(5) McBreach

(6) HEC-RAS

(7) DAMBRK

其中最流行的软件可能是HEC-RAS，因为它是免费的，下面简要描述HEC-RAS。

4. HEC-RAS软件

HEC-RAS是Hydrologic Engineering Center's River Analysis System(水文工程中心河流分析系统)的缩写，由美国陆军工程师(USACE)【Charles Fairhurst教授讲述Itasca咨询公司的起源和创立过程】开发。该软件用于计算流体力学，特别是对流经天然河流和其他渠道的水流进行水力学模拟。该软件主要有如下功能：

(1) 一维稳态流计算

(2) 一维和二维非稳态流计算

(3) 沉积物迁移/移动地床计算

(4) 水温/水质模拟

该软件向公众开放，可以免费下载，但不提供任何用户帮助或支持，最新版本为V6.5。HEC-RAS 可用于洪水预测，在水动力复杂的地区进行水文和水力模拟、水库运行和调洪和分析，使用 HEC-RAS进行洪水预报可为洪水风险交流和应急规划提供有价值的见解。