應用分析模式
土石流土體動態模擬數值模式
更新日期2021年09月09日
土石流土體動態模擬數值模式(Debris Flow Model for General Topography,DFMfGT) 乃依據固體-液體兩相流模式之土石流理論,搭配現地地形座標系統所整合的土石流數值模式。現階段已採用GPU相關技術將DFMfGT提升至高效率運算模式,(Modeling on Shallow Flows with Efficient Simulation for Two-Phase Debris Flows,MoSES_2PDF)相關文獻可參酌Tai et al. (2012, 2019, 2020)、Luca et al. (2016)、Ko et al. (2021)。
DFMfGT數值模式與FLO-2D同樣為深度積分的理論模型且僅考慮連續方程式與通量方程式,但DFMfGT數值模式針對固相與液相之守恆方程式分別考慮,所以一共包含六個方程式(FLO-2D僅有三個方程式)。而DFMfGT數值模式採用Non-Oscillation Central Scheme (NOC) 有限體積演算法(Kurganov and Tadmor, 2000; Kurganov and Miller, 2014) ,因此可模擬震波(Shock Wave) 與水躍(Hydraulic Jumps) 現象。此外,因DFMfGT數值模式分別考量計算固相與液相各自的守恆方程式,可適切描述運動中固液相分離的現象,也可描述不同土砂濃度的土石流匯聚時的現象。
相對於普遍廣泛使用的FLO-2D的單相流模式,FLO-2D所需的7個參數(material parameters:土砂比重、曼寧粗糙係數、層流阻滯係數、屈服應力×2、黏滯係數×2)。雖然DFMfGT數值模式使用採用固體-液體兩相流模式的基礎理論,但是DFMfGT數值模式僅需5個參數:
(a) 土沙比重:
(b) 固體顆粒摩擦角:
(c) 交互作用力係數(與固體液體相對速度成正比):
(d) 液相阻尼係數:
(e) 液相等效黏滯係數:
圖1為MoSES_2PDF 數值模式參數輸入之界面,使用者可透過預設值或是依據實驗結果進行參數調整。圖2為數值模式計算結果透過國立成功大學戴義欽老師開發之3維實境展示平臺(Advance Numerical Scenario Illustration Platform,ANSI-platform)呈現土石流動態模擬結果。圖3為經由圖資整合,土石流土體動態模擬數值模式的模擬結果可以在BigGIS上瀏覽
圖1 DFMfGT數值模式參數設定界面
圖2 DFMfGT兩相流土石流動態模擬結果(2009年莫拉克颱風事件-小林村)
圖3 為經由圖資整合,土石流土體動態模擬數值模式的模擬結果可以在BigGIS上瀏覽
參考文獻
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