以 FLOW-3D 模擬探討黏塑性潰壩流的動態行為與地形影響Dam-break-induced three-dimensional viscoplastic flows and debris hazards

Gholamreza Kefayati, Ali Tolooiyan, and Ashley P. DysonPublished in Physics of Fluids, Vol. 37, 103606 (2025)University of Tasmania, Hobart, Australia; University College Dublin, Ireland.

資料來源：https://pubs.aip.org/aip/pof/article/37/10/103606/3366468/Dam-break-induced-three-dimensional-viscoplastic?searchresult=1

研究背景與目的

圖 1 — 霍巴特地區土石流現象與研究區位置 

本研究針對黏塑性潰壩流（viscoplastic dam-break flow）進行三維數值模擬分析，特別聚焦於受地形坡度與屈服應力影響的土石流動態。研究者指出，在自然山區或集水區中，降雨或潰壩事件常導致含固率高、具有屈服應力的黏塑性流體（如泥流、土石流）沿坡快速下滑。此類非牛頓流體的行為兼具固體與液體特性，傳統牛頓流假設無法準確描述。因此，研究以 FLOW-3D 為主要模擬平台，建立可解析流體–固體邊界與坡度影響的完整三維流場。

圖 8 — 不同屈服數與雷諾數下之奔流距離與自由面高度

模擬結果顯示，存在一個臨界屈服數（Yc ≈ 0.27），可區分流動區與近乎靜止區。當屈服數低時，慣性力主導，流體能形成長距離奔流並產生明顯自由面變形；隨著屈服數上升，未屈服區域（unyielded zones）逐漸擴張，流動性顯著下降。研究進一步建立多項式關係式，量化無因次奔流距離與流深之間的關聯，並分析坡度對流動距離的影響。結果顯示在固定屈服數下，奔流距離與坡角呈線性關係，且提出一個經驗公式 Yc = 0.27 + sin(θ)，以預測不同坡度下的臨界屈服數。

實際案例與應用

圖 13 — 不同坡角下的流動型態

研究將模型應用於澳洲塔斯馬尼亞州霍巴特（Hobart）地區之真實地形，以 2018 年暴雨引發的土石流事件為例，計算其對應之雷諾數與屈服數。模擬結果顯示，初期具有高流速與超臨界區（Froude number > 1），之後逐漸進入中低強度階段，符合現地觀測情況。研究同時引入 Debris Flow Intensity 與 Debris Damage Index（DDI）作為風險分級指標，以量化流深、動量及可能的基礎設施破壞程度。

研究意涵與 FLOW-3D 的優勢

圖 17–18 — FLOW-3D 模擬的流深與速度分佈

本研究不僅建立了黏塑性潰壩流的三維數值分析基礎，更展示 FLOW-3D 在地形複雜、界面變化劇烈之地表流動模擬中的可靠性。相較於傳統淺水方程（SWE）或理想化通道模擬，FLOW-3D 能直接求解完整的 Navier–Stokes 方程，同時結合 VOF 自由液面追蹤與 IBM 固壁處理，能更真實地呈現土石流與地形交互作用。對防災工程而言，該研究提供了依據無因次參數預測流動範圍與破壞潛勢的實用方法，未來可延伸至都市坡地災害、水庫潰壩、以及泥流防護設施設計之模擬評估。