Numerical simulation analysis on dynamic responses of structures impacted by three‑dimensional viscoplastic dam‑break flows under bio‑inspired shape regulation

XU Jingwei

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Numerical simulation analysis on dynamic responses of structures impacted by three‑dimensional viscoplastic dam‑break flows under bio‑inspired shape regulation

更新时间：2026-10-12

- Numerical simulation analysis on dynamic responses of structures impacted by three‑dimensional viscoplastic dam‑break flows under bio‑inspired shape regulation
- PEARL RIVER Pages: 1-14(2026)
- 作者机构：
  
  福州英华职业学院，福建福州 350101
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：
  CLC： TV122.4
- Received：14 August 2026，
  
  Revised：2026-09-22，
  
  Accepted：23 September 2026，
  
  Online First：12 October 2026，
- 稿件说明：
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徐菁蔚.生物启发外形调控下三维黏塑性溃坝冲击结构物的动力响应数值模拟分析［J］.人民珠江，DOI：10.3969/j.issn.1001-9235.XXXX.XX.001.

XU Jingwei.Numerical simulation analysis on dynamic responses of structures impacted by three‑dimensional viscoplastic dam‑break flows under bio‑inspired shape regulation[J].PEARL RIVER,
徐菁蔚.生物启发外形调控下三维黏塑性溃坝冲击结构物的动力响应数值模拟分析［J］.人民珠江，DOI：10.3969/j.issn.1001-9235.XXXX.XX.001. DOI：

XU Jingwei.Numerical simulation analysis on dynamic responses of structures impacted by three‑dimensional viscoplastic dam‑break flows under bio‑inspired shape regulation[J].PEARL RIVER, DOI：10.3969/j.issn.1001-9235...001.

摘要

溃坝下泄的泥浆影响范围广且破坏性大，流态区别于清水流动，精细化理清其致灾机理具有现实意义。通过OpenMP构建并行基座，基于Herschel-Bulkley搭建本构模型，采用APPLIC（Approximated PLIC）方法重构自由面，利用自研三维数学模型开展黏塑性溃坝水动力分析，结果发现：当前模型预报结果与物理试验结果具有一致性；非牛顿流体冲击力响应区别于牛顿流体静水压变化，受等效重力控制，冲击力存在非静水压力效应；基于海豹胡须生物启发，通过外形调控，在相同阻水率的情况下，圆柱比方柱的峰值冲击力减少约50%，且冲量大幅减小，流线型圆柱可削弱动量变化进而减少冲量。通过多源数据验证了模型可靠性，阐述了非静水压力效应，链接了生物启发与防灾减灾，可为溃坝灾害链识别与减灾应用提供参考。

Abstract

The mudflow from dam breaches has a wide impact range and significant destructive power

with flow characteristics distinct from clear water. Precisely elucidating its disaster-causing mechanisms holds practical significance. By constructing a parallel framework using OpenMP and establishing a constitutive model based on the Herschel-Bulkley rheology

the APPLIC (Approximated PLIC) method was employed to reconstruct the free surface. A self-developed three-dimensional mathematical model was utilized for viscoplastic dam breach hydrodynamic analysis

revealing the following findings: the current model's predictions align with physical experimental results; the impact force response of non-Newtonian fluids differs from Newtonian hydrostatic pressure variations

governed by equivalent gravity

and exhibits non-hydrostatic pressure effects. Inspired by seal whisker biologics

adjusting the shape to achieve the same drag coefficient reduced the peak impact force of circular cylinders compared to square cylinders by approximately 50%

while significantly diminishing impulse. The streamlined cylinder mitigated momentum changes

thereby reducing impulse. Multi-source data validated the model's reliability

elucidated non-hydrostatic pressure effects

linked biological inspiration with disaster prevention

and provided references for identifying dam breach disaster chains and mitigation applications.

关键词

Keywords

references

李言昂，韩培锋，黄世杰，等 . 堰塞坝溃决机理研究热点与趋势分析［J］. 人民珠江， 2025 ， 46 （ 8 ）： 35 - 49 . doi: 10.3969/j.issn.1001-9235.2025.08.004 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-9235.2025.08.004

Li Yan'ang ， Han Peifeng ， Huang Shijie ， et al . Research Hotspots and Trend Analysis of Barrier Dam Break Mechanism ［J］. Pearl River ， 2025 ， 46 （ 8 ）： 35 - 49 . （in Chinese）

Chuang Weiliang ， Chen Shengyuan . Laboratory observation of impact pressure， fluid velocity， and air fraction during dam-break impacts on a square prism ［J］. Physics of Fluids ， 2025 ， 37 （ 7 ）： 077129 .

刘占奎，郭秋歌，杨洋，等 . 堤坝溃决计算方法现状及展望（Ⅱ）：二维和三维数学计算模型［J］. 地质科技通报， 2026 ， 45 （ 2 ）： 327 - 337 .

Liu Zhankui ， Guo Qiuge ， Yang Yang ， et al . Current status and prospects of calculation methods for dam and dike failures （II）：Two-dimensional and three-dimensional mathematical models ［J］. Bulletin of Geological Science and Technology ， 2026 ， 45 （ 2 ）： 327 - 337 . （in Chinese）

李明 . 复杂地形泥石流全过程动力学数值模拟及综合风险评价方法［D］. 长沙：中南大学， 2023 ： 79 .

Li Ming . Numerical simulation of the whole process dynamics of debris flow over complex terrain and comprehensive risk evaluation method ［D］. Chang Sha ： Central South University ， 2023 ： 79 . （in Chinese）

杜镇瀚，钟启明，周家文，等 . 近坝库岸滑坡涌浪溃坝灾害链模型试验方法［J］. 地球科学， 2026 ， 51 （ 4 ）： 1476 - 1488 .

Du Zhenhan ， Zhong Qiming ， Zhou Jiawen ， et al . Experimental Methodology for Modeling Disaster Chain of Near-Dam Landslide Generated Waves and Resultant Dam Breach ［J］. Earth Science ， 2026 ， 51 （ 4 ）： 1476 - 1488 . （in Chinese）

Soares-Frazão S ， Zech Y . Experimental study of dam-break flow against an isolated obstacle ［J］. Journal of Hydraulic Research ， 2007 ， 45 （ S1 ）： 27 - 36 .

敬小非，尹光志，魏作安，等 . 基于不同溃口形态的尾矿坝溃决泥浆流动特性试验研究［J］. 岩土力学， 2012 ， 33 （ 3 ）： 745 - 752 .

Jing Xiaofei ， Yin Guangzhi ， Wei Zuo'an ， et al . Study of tailings dam-break surges with floating slurry in model experiment in different collapse gates ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2012 ， 33 （ 3 ）： 745 - 752 . （in Chinese）

Aureli F ， Dazzi S ， Maranzoni A ， et al . Experimental and numerical evaluation of the force due to the impact of a dam-break wave on a structure ［J］. Advances in Water Resources ， 2015 ， 76 ： 29 - 42 .

张宏刚，张园园，方有令 . 不同浑浊度溃坝流体流动特性研究［J］. 人民长江， 2021 ， 52 （ 10 ）： 220 - 224 .

Zhang Honggang ， Zhang Yuanyuan ， Fang Youling . Study on flow characteristics of dam-breach fluid with different turbidity ［J］. Yangtze River ， 2021 ， 52 （ 10 ）： 220 - 224 . （in Chinese）

黄宜超，聂闻，芦松，等 . 不同降雨工况下尾矿库溃坝模型试验及潜在经济损失评估研究［J］. 矿业研究与开发， 2022 ， 42 （ 9 ）： 204 - 212 .

Huang Yichao ， Nie Wen ， Lu Song ， et al . Study on Model Test and Potential Economic Loss Assessment of Tailings Dam Break Under Different Rainfall Conditions ［J］. Mining Research and Development ， 2022 ， 42 （ 9 ）： 204 - 212 . （in Chinese）

周昔东，袁浩，苏立君，等 . 湿床溃坝波演进特性试验研究［J］. 工程科学与技术， 2025 ， 57 （ 6 ）： 18 - 26 .

Zhou Xidong ， Yuan Hao ， Su Lijun ， et al . Experimental Study of Wet-bed Dam Break Wave Evolution Properties ［J］. Advanced Engineering Sciences ， 2025 ， 57 （ 6 ）： 18 - 26 . （in Chinese）

Martínez-Aranda S ， Segovia-Burillo J ， García-Palacín I ， et al . Experimental study of the viscoplastic dambreak wave dynamics and the impact force exerted on rigid structures ［J］. Physics of Fluids ， 2025 ， 37 （ 10 ）： 106617 .

Brufau P ， Garcia‐Navarro P . Two‐dimensional dam break flow simulation ［J］. International Journal for numerical methods in fluids ， 2000 ， 33 （ 1 ）： 35 - 57 .

向浩，陈斌 . 非牛顿流体二维溃坝问题的数值模拟［J］. 工程热物理学报， 2012 ， 33 （ 8 ）： 1338 - 1340 .

Xiang Hao ， Chen Bin . A Numerical Simulation of Non-Newtonian 2D Dam-Break Flows ［J］. Journal of Engineering Thermophysics ， 2012 ， 33 （ 8 ）： 1338 - 1340 . （in Chinese）

Kao H M ， Chang T J . Numerical modeling of dambreak-induced flood and inundation using smoothed particle hydrodynamics ［J］. Journal of hydrology ， 2012 ， 448 ： 232 - 244 .

乔成，潘华利，欧国强 . 两相光滑粒子流体动力学方法在动床溃坝问题中的应用［J］. 中国科学院大学学报， 2017 ， 34 （ 5 ）： 625 - 632 .

Qiao Cheng ， Pan Huali ， Ou Guoqiang . Application of two-phase smoothed particle hydrodynamics method to dam break over movable bed ［J］. Journal of University of Chinese Academy of Sciences ， 2017 ， 34 （ 5 ）： 625 - 632 . （in Chinese）

Issakhov A ， Zhandaulet Y . Numerical study of dam break waves on movable beds for various forms of the obstacle by VOF method ［J］. Ocean Engineering ， 2020 ， 209 ： 107459 .

Simsek O ， Islek H . 2D and 3D numerical simulations of dam-break flow problem with RANS， DES， and LES ［J］. Ocean Engineering ， 2023 ， 276 ： 114298 .

刘汉龙 . 生物建造体系与展望［J］. 土木与环境工程学报（中英文）， 2024 ， 46 （ 4 ）： 1 - 22 .

Liu Hanlong . Biogenic construction：System and perspectives ［J］. Journal of Civil and Environmental Engineering ， 2024 ， 46 （ 4 ）： 1 - 22 . （in Chinese）

钟启明，蒋正淳，陈灵淳，等 . 土石坝漫顶溃坝过程模拟技术研究进展［J］. 水科学进展， 2025 ， 36 （ 6 ）： 1084 - 1096 .

Zhong Qiming ， Jiang Zhengchun ， Chen Lingchun ， et al . A state-of-the-art review on the simulation technologies of overtopping-induced breaching process of earth-rock dams ［J］. Advances in Water Science ， 2025 ， 36 （ 6 ）： 1084 - 1096 . （in Chinese）

Kawano A . A simple volume-of-fluid reconstruction method for three-dimensional two-phase flows ［J］. Computers & Fluids ， 2016 ， 134 ： 130 - 145 .

殷雅俊，孔钇雅，余晓彬 . 组织液循环运动学（Ⅱ）：次流道——分支血管周围间隙［J］. 力学季刊， 2025 ， 46 （ 2 ）： 291 - 302 .

Yin Yajun ， Kong Yiya ， Yu Xiaobin . The Kinematics for Interstitial Fluid Circulation （II）： Secondary Passageway-Perivascular Space Around Branched Vessels ［J］. Chinese Quarterly of Mechanics ， 2025 ， 46 （ 2 ）： 291 - 302 . （in Chinese）

Zheng X ， Kamat A M ， Cao M ， et al . Wavy whiskers in wakes： explaining the trail‐tracking capabilities of whisker arrays on seal muzzles ［J］. Advanced Science ， 2023 ， 10 （ 2 ）： 2203062 .

孙振宇，周运浩，张勤旭，等 . 基于二维浅水方程的胖头泡蓄滞洪区洪水演进数值模拟［J］. 人民珠江， 2024 ， 45 （ 6 ）： 82 - 91 .

Sun Zhenyu ， Zhou Yunhao ， Zhang Qinxu ， et al . Numerical Simulation of Flood Evolution in Pangtoupao Flood Storage Area Based on Two-Dimensional Shallow Water Equation ［J］. Pearl River ， 2024 ， 45 （ 6 ）： 82 - 91 . （in Chinese）

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