曲线坐标系二维带自由表面强紊动水流数值模拟

将追踪自由表面的流体体积(VOF)法应用于曲线坐标系下水流控制方程的求解中,计入流线弯曲对水流紊动特性的影响,建立了垂向二维强紊动水流的曲率修正的紊流模型,并对溢流坝反弧段的紊流特性进行了数值模拟。数值计算时,采用有限体积法离散水流的控制方程;物理变量,如:压力P、紊动参量κ、ε、γt等,采用交错方式排列(交错网格布置),用SIMPLEC算法求解离散方程。计算结果表明,得到的溢流坝反弧段的自由表面位置、速度场、压力场、剪应力分布和紊动能分布与实验结果吻合良好。     

非粘性沙坝溃决数学模型及求解

考虑一维陡坡浅水方程与Exner方程耦合构建漫顶溃坝数学模型,利用Roe格式黎曼近似解法求解,并用预测-校正法处理源项保证水流、泥沙侵蚀输运和底床演变过程的计算稳定.模型实例计算结果表明,该方法能较好地计算非粘性模型沙坝漫顶溃决问题,可为溃坝数值计算提供新的思路.     

基于结构网格的溃坝水流数值模拟

针对溃坝水流数值模拟面临的复杂地形和不规则边界等问题,基于结构网格建立了适应复杂地形和不规则边界的溃坝水流数值模拟有限体积模型（HydroM2D）。模型基于具有守恒特性的二维浅水方程,利用HLLC格式的近似Riemann解计算网格界面通量,利用MUSCL-Hancock法不断向前积分,使模型在时空上具有二阶精度;对源项进行离散处理确保模型的稳定性;模型引入有效干湿边界和不规则地形边界处理方法,准确模拟了干湿单元的动态交替和复杂边界上的水流特性。最后分别利用水槽试验、物理模型和实际算例对模型进行验证。结果表明,该模型对不同情景下的溃坝洪水模拟结果和实测资料以及现有模型模拟结果具有较高的一致性,模拟精度较高,稳定性较好,具有推广应用价值。     

基于Godunov格式的溃坝水流数学模型

为了更好地把握溃坝洪水风险,减小因溃坝洪水而造成的人员生命和财产损失,建立了基于Godunov格式的一维、二维溃坝水流耦合数学模型。一维溃坝水流模型采用HLL格式的有限体积法求解,二维溃坝水流模型采用基于非结构网格的Roe格式离散求解,在一维、二维模型的链接处采用重叠计算区域的方法实现一维模型和二维模型之间的水力要素信息交换。经弯道溃坝算例和断面突变溃坝算例验证,该耦合模型具有良好的可靠性和适用性,验证后的耦合模型为大尺度的溃坝水流数值模拟打下了基础。     

基于改进SPH模型的溃坝洪水演进模拟方法

溃坝洪水演进模拟的准确性是制约水库洪水预演有效性的关键。基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)方法提出了适用于溃坝洪水演进分析的数值模拟方法。通过设置溃口粒子与粒子库,基于黎曼不变量对SPH粒子状态进行修正,构建施加边界条件的改进SPH溃坝洪水演进模型,将SPH瞬时全溃整体模型转换为考虑溃口水流变化的入流边界模型,实现SPH方法与溃口计算模型的耦合。以Malpasset溃坝事件为例,检验了该模型计算溃坝洪水的精度,结果表明该模型精度相对较高,与实测值吻合较好;应用该模型模拟了某水库溃坝洪水演进预演过程,评估其对下游输水干渠及交叉建筑物排水倒虹吸的洪水冲击风险,结果表明在上游水库遭遇超标准洪水漫顶溃坝工况下,洪水演进至排水倒虹吸处的最大洪水位未超过校核洪水位。改进SPH模型精度高,可靠性强,与溃口计算模型耦合性好,可作为溃坝洪水演进模拟的通用手段之一。     

一个新紊流模式的检验及其应用

采用修正κ-ε模型封闭Reynolds方程作为紊流控制方程,引入通度概念处理曲面不规则边界、用VOF法追踪自由表面,分别对水利工程中重力坝溢流、水跃、绕丁坝水流及岸边的波浪运动等几个典型算例进行数值模拟,并分别与实测资料进行比较,结果均得到了较好的验证。     

西南岩溶地下河系统水流运动数值模型

为深入认识地下河系统水循环规律,针对与周围空隙介质有密切水力联系、分布于饱和带中且具有集中排泄的地下河系统,建立了水文地质概念模型.阐述了该类型地下河系统中不同含水介质水流运动特征及相应的运动方程,给出了数值模型中方程和空间离散方式及模型的求解方法,分析了数值模型中孔隙水和裂隙水自由面、管道有压和无压转换、管道层流和紊...     

溃坝水流数值模拟研究进展

溃坝问题在水利工程的设计管理中具有重要地位,也是广大学者长期以来一直关注和研究的课题。回顾和总结了国内外对溃坝水流演进问题的研究进展:介绍了溃坝水流的数学模型及解析解法存在的困难,进而讨论了数值解法的最新进展;论述了求解溃坝水流一维问题的有限差分法、近似黎曼解的Godunov格式法、Boltzmann法、KFVS法和二维问题的TVD格式法、间断有限元法、有限体积法、特征线法,并分析了各种方法的适用范围和优缺点,及讨论了限制函数的使用;介绍了利用自由水面追踪方法计算溃坝水流的研究进展,并根据目前存在的不足和实际工程的需要,提出了进一步研究的方向和发展趋势。     

三维非恒定渗流自由面边界积分项的高精度数值积分

在三维非恒定渗流有限元计算中,不可避免地需计算自由面上的边界积分项。建议一种高精度数值积分的方法求取自由面边界积分项。其基本思路是,基于8节点空间等参单元,根据压力为零的边界条件确定自由面满足的曲面方程,将自由面边界积分转化为ξη平面上的二重积分;然后再计算自由面与三维等参单元的交点,将交点投影到局部坐标平面ξη上,并根据点与线的相对关系,确定投影点所围成的局部坐标积分区域;再将总积分区域划分成若干个三角形子区域,并利用变步长Simpson方法计算各三角形子区域上的二重积分,从而实现了高精度的自由面边界积分。该方法避免了单元中自由面为平面的假设,可提高计算精度,特别对于单元内自由面变化剧烈情况,更为显著。将该方法应用于砂槽模型和土坝的渗流分析中,计算结果与实际情况较为接近。     

SPH法在大坝表孔泄流数值模拟中的应用

主要对光滑粒子流体动力学(SPH)法进行研究,建立了大坝表孔泄流的光滑粒子模型。将SPH数学模型应用于拉西瓦水电站表孔泄流中,提出了采用补水边界的方法来满足库区恒定水位条件,模拟了表孔泄流的流场变化及粒子运动过程。通过与物理模型实测的压力值比较,堰表面压力变化基本一致。对模拟结果进行分析,表明光滑粒子流体动力学可用于高速水流的计算模拟研究。     

Simulation of flow slides in municipal solid waste dumps using a modified MPS method

Flow slides in municipal solid waste (MSW) dumps have caused serious damage to structures and casualties all over the world. Therefore, much attention should be paid to this type of disaster to elucidate the flow mechanisms and fluidization characteristics of MSW, which are essential for the assessment and prevention of flowlike hazards. To bypass the deficiencies of the traditional analysis methods that use the mesh method and are based on a framework of solid mechanics, the moving particle semi-implicit (MPS) method, which is a purely Lagrangian meshless method and proposed for incompressible flow, is introduced to study flow slides in MSW landfills. Considering the no-physical pressure fluctuation that affects the simulation accuracy in the original MPS, the original MPS is revised in three ways: the kernel function, the source term of the Poisson equation and the search for free surface particles. Two benchmark problems, the dam break problem and the static pressure problem, are computed to illustrate the improvement of the pressure stability of the modified MPS. The Bingham constitutive model combined with the Mohr–Coulomb failure criterion is adopted to depict the dynamic features of MSW flow slides, and the equivalent viscosity is employed to bridge the gap between Bingham fluid models and Newtonian fluid models. This method, ultimately, is applied to simulate real flow slides in the Umraniye–Hekimbashi landfill and the Payatas waste dump. The numerical results show good consistency with the field data, indicating that the modified MPS method is capable of capturing the essential dynamic behavior and reproducing the entire process of complicated flow slides in MSW dumps.     

无网格数值方法在结构物水动力研究中的应用

运用一种移动粒子半隐式法建立无网格水流数值模型,探讨该模型在结构物水动力特性研究中的可能性。在无网格条件下,粒子间的相互作用通过核子函数来表示,并通过建立物理量光滑模型、梯度模型和二阶导数模型来离散控制方程。流体的不可压缩性是通过引入粒子数密度概念实现的。该方法不受流体变形程度和固边界形状的限制,因而具有特定的适应性。运用该模型模拟了水柱倒塌后有无透空块体两种情况下右端直墙上的压力过程。计算结果表明透空块体可使直墙压力减小42%。     

Study of the free surface flow of water–kaolinite mixture by moving particle semi‐implicit (MPS) method

The flow of water–kaolinite mixtures exhibits a non‐Newtonian nature that differs from the flow of Newtonian fluid. The varying viscosities and shear history of non‐Newtonian fluid flows necessitate the use of a rheology model in moving particle semi‐implicit (MPS) for the numerical studies. On the other hand, the Lagrangian method has the advantage of handling free surface flows with large deformation and fragmentation. This study proposes a mesh‐free Lagrangian method, namely, the MPS method, together with a simple rheology model to investigate the non‐Newtonian free surface flows. The rheological parameters required in the rheology model are determined based upon experiments. The proposed method is applied to a water–kaolinite mixture collapse problem and is proved to be capable of reproducing the significant flow features observed in laboratory experiments. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

全过程沉降预测的新模型与方法

地面沉降是普通存在的一种环境灾害为此提出了一种新模型,它概括了泊松曲线模型与Verhulst模型,能准确预测全过程沉降量的变化规律。提出了将非线性回归与3次样条插值相结合求解新模型的思路与方法,突破了泊松曲线模型所用三段计算法的局限。实例分析结果表明：所提出的方法能准确地求得非线性模型的解;新模型及方法与Verhulst模型及方法相比,能使模型计算值与实测值之间的残差大幅度减小。新模型为岩土工程设计提供了新的科学依据。     

Free-surface Simulations of Newtonian and Non-Newtonian Fluids with the Lattice Boltzmann Method

This paper describes the application of a three-dimensional lattice Boltzmann method (LBM) to Newtonian and non-Newtonian (Bingham fluid in this work) flows with free surfaces. A mass tracking algorithm was incorporated to capture the free surface, whereas Papanastasiou’s modified model was used for Bingham fluids. The lattice Boltzmann method was first validated using two benchmarks: Newtonian flow through a square cross-section tube and Bingham flow through a circular cross-section tube. Afterward, the dam-break problem for the Newtonian fluid and the slump test for Bingham fluid were simulated to validate the free-surface-capturing algorithm. The numerical results were in good agreement with analytical results, as well as other simulations, thereby proving the validity and correctness of the current method. The proposed method is a promising substitute for time-consuming and costly physical experiments to solve problems encountered in geotechnical and geological engineering, such as the surge and debris flow induced by a landslide or earthquake.     

基于计算流体动力学的不同流量比两股射流水垫塘的消能特性研究

为研究不同流量比的两股射流入射水垫塘后的消能特性,选用非定常不可压缩流动的N-S方程和RNG k-ε紊流模型,采用VOF(Volume of Fluid)法结合溪洛渡双曲拱坝水垫塘进行了数值模拟,分析了流量比对水垫塘底板的冲击压力、临底速度、流态特征影响,并定量研究了流场内时均动能的衰减规律。研究表明,随着上游水股射流流量的减小,上游水股对底板的冲击压力在逐渐减小,由上游水股产生的动水垫作用逐渐减弱,使得下游水股对底板的冲击压力在逐渐增大;水垫塘流场呈现为具有动水垫效应的单股射流和动水垫效应微弱的单股射流两种形态。定量计算结果表明:对于上游水股射流,时均流速梯度较大,时均动能衰减较快,且随着上游水股射流流量减小,时均动能衰减速度加快,而下游水股射流的时均流能量比值和时均消能率总体小于上游水股射流消能率。     

Modelling the flow of self‐compacting concrete

A Lagrangian particle‐based method, smooth particle hydrodynamics (SPH), is used in this paper to model the flow of self‐compacting concretes (SCC) with or without short steel fibres. An incompressible SPH method is presented to simulate the flow of such non‐Newtonian fluids whose behaviour is described by a Bingham‐type model, in which the kink in the shear stress vs shear strain rate diagram is first appropriately smoothed out. The viscosity of the SCC is predicted from the measured viscosity of the paste using micromechanical models in which the second phase aggregates are treated as rigid spheres and the short steel fibres as slender rigid bodies. The basic equations solved in the SPH are the incompressible mass conservation and Navier–Stokes equations. The solution procedure uses prediction–correction fractional steps with the temporal velocity field integrated forward in time without enforcing incompressibility in the prediction step. The resulting temporal velocity field is then implicitly projected on to a divergence‐free space to satisfy incompressibility through a pressure Poisson equation derived from an approximate pressure projection. The results of the numerical simulation are benchmarked against actual slump tests carried out in the laboratory. The numerical results are in excellent agreement with test results, thus demonstrating the capability of SPH and a proper rheological model to predict SCC flow and mould‐filling behaviour. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

易贡滑坡堰塞湖溃坝洪水分析

滑坡堰塞坝体主要由块石、碎石土等松散材料组成,随着上游水位的不断上升,极易失稳,一旦决口将对给下游人民的生命财产安全造成极大的威胁。因此,研究堰塞坝溃坝问题具有重要的学术意义和应用价值。2000 年 4 月 9 日,西藏林芝地区波密县易贡藏布河扎木弄沟发生大规模山体滑坡堵塞易贡藏布江,形成坝高60m,长约2500m,库容可达288108m3,体积约28108～30108m3的滑坡堰塞湖, 2000年6月10日堰塞坝溃决。本文以易贡堰塞湖溃坝为例,从连续性方程及Navier Stokes方程出发,结合标准型湍流模型,并采用VOF方法进行自由面处理,基于流体计算软件Fluent模拟分析了溃坝洪水在下游弯曲河道的演进过程及不同位置的流速变化。数值模拟结果与实测资料记录基本一致,表明该模型能够模拟溃坝洪水在地形复杂弯曲河道中的演进过程。     

渗透压力对重力坝有限元分析的影响研究

针对有限元分析重力坝的应力和抗滑稳定性时,如何正确模拟作用在建基面上的扬压力的问题,通过对有限元法中不同扬压力施加方式对计算结果影响的分析比较,探讨了各自的适用性。采用平面渗流理论,分析了渗透压力对坝体变形、应力分布及抗滑稳定的影响。数值计算结果表明：坝体内渗流场形成后,将扬压力以面力的形式施加在建基面上的方法是不可取的;采用浮重度的方式模拟扬压力的作用,得出结果的可以近似地满足工程精度要求。计算结果还表明,防渗帷幕和排水孔对重力坝的应力、抗滑稳定具有较大的影响。