潜堤附近波浪场精细模拟的PLIC-VOF模型

采用PLIC-VOF追踪自由面,利用无反射造波边界条件数值造波,结合有限差分方法离散求解潜堤附近水域的立面二维N-S方程,得到潜堤附近波浪场。对两种典型潜堤结构附近的波浪场进行了数值计算并与模型实验结果作了比较。比较结果表明,基于PLIC-VOF的数值方法能够有效地追踪波浪自由面并得到潜堤附近精细的波浪场。     

基于势流理论和OpenFOAM的耦合模型对多向不规则波浪的模拟

基于势流理论的数值水池可以快速计算波浪的传播及其对建筑物的作用,但是势流理论是基于波浪的无黏性假设的,而在工程中,通常需要在固体边界及波浪破碎的区域考虑黏性效应。针对基于求解Navier-Stokes方程的黏性水池计算量较大、速度较慢的缺点,采用耦合的方法模拟多向不规则波浪的传播,即在外域通过基于势流理论的数值水池产生多向不规则波浪,内域采用求解Navier-Stokes方程和流体体积法(VOF方法)对自由表面进行追踪,通过外域所提供的边界波浪,内域计算可以在较小区域进行计算,从而达到减少计算量、提高计算效率的目的。     

基于MatDEM的砂土侧限压缩试验离散元模拟研究

离散元法基于非连续介质力学理论,尤其适用于砂土等离散介质体的数值模拟研究。利用岩土体离散元模拟软件MatDEM的二次开发功能,研发了砂土侧限压缩试验三维离散元模拟器。对三个不同级配砂土试样进行了侧限压缩试验,并且进行了与之相对应的数值模拟,通过分析对比试验结果与数值模拟结果验证了所开发模拟器的有效性。模拟结果表明:离散元法可以很好地反应砂土压缩过程中的配位数变化;每个模拟样品中,粒径较小的单元受到较大的平均压力,导致平均位移较大;数值计算结果的主要误差是由离散元颗粒自身的泊松比引起的。研究突破了常规土力学研究方法的局限性,为今后岩土工程离散元模拟研究提供了参考。      

波流共存场中多向随机波浪传播变形数学模型

基于波作用量守恒方程建立了波流共存场中多向随机波浪传播变形数学模型,模型中考虑了波浪绕射的影响和水流引起的波浪弥散多普勒效应,应用包含水流和地形影响的激破波模式计算波浪破碎的能量耗散,采用一阶上迎风有限差分格式离散控制方程。分别计算了有无近岸流情况下单向和多向随机波浪的波高分布,考虑水流影响的数值计算结果与物理模型实验数据吻合良好,比较分析表明,所建立的数学模型能够复演由于离岸流引起的波高增大,可用于波流共存场多向随机波浪传播变形的模拟和预报。     

非保守示踪剂条件下的河流水质参数的确定

将描述示踪剂为非保守、瞬时投源条件下的一维河流水团示踪试验的解析表达式进行2次适当的变形,分别得到一个二元和一元线性方程。对二元线性方程应用相关系数极值法,可以推导出计算河流横断面平均流速的公式;利用直线图解法或一元线性回归法能够计算出一元线性方程中的2个常数值,据此可以计算河流的纵向离散系数D_L与示踪剂的一级反应速率常数k。与现有的数据分析方法相比较,该方法具有:(1)适用于示踪剂为非保守的情况;(2)利用一组野外试验数据可以同时计算河流离散系数D_L、河流横断面平均流速V与示踪剂的一级反应速率k常数3个参数值;(3)全部数据分析过程可以程序化,由计算机完成等特点。     

径向点插值法在波浪传播数值模拟中的应用

针对波浪数值模拟中基于矩形网格的数值方法在深水到浅水的网格间距选择与复杂边界处理上的缺陷,以及基于正交曲线网格和无结构网格的数值方法前处理工作复杂的问题,引入最近在计算力学中发展起来的无网格法——径向点插值法,对经典的双曲型缓坡方程进行空间离散,并在时间上采用四阶Adams-Bashforth-Moulton格式求解建立近岸波浪传播数学模型,通过椭圆形浅滩地形和环形河道的波浪传播计算验证,表明该无网格方法可较为有效地模拟近岸波浪的传播变形,且在处理复杂边界时具有较高的精度.     

SWAN浅水波浪模式在渤海的应用研究——Phillips线性增长比例系数的改进

将国际上通用的SWAN波浪数值模式应用到渤海,以检验其适应性。通过对由风引起的波浪的增长和耗散作用源函数的实验研究,发现SWAN中所采用的Phillips线性增长部分的比例系数和波浪成长有较大的关系,此比例系数随摩擦速度变化(原模式取此系数为一常数)。基于模式试验,引入了一个新的Phillips线性增长项公式,并且利用3个风过程对模式的改进进行了验证。3个风过程的计算结果和实测值比较表明,计算结果在3个过程当中都得到了明显的改进。     

盾构隧道掘进面失稳螺旋破坏机制分析

针对盾构隧道掘进面稳定问题,提出二维对数螺线机动破坏模型。通过对机动模型进行离散,实现破坏区域内部系统耗散功率精确计算,并利用上限分析法推导出有效支护压力上限解。采用最优化对失稳破坏模式及对应极限支护压力进行计算。研究表明,随着土体强度提高,失稳区域缩小,破坏高度降低,支护压力相应减小;对比分析显示,二维对数机动模型对掘进面失稳模式及支护压力预测结果与数值分析及已有理论模型较为吻合。选取模型试验作为算例进行验证表明,二维对数机动模型与试验结果较接近,可为工程设计提供理论依据。     

利用地理信息系统软件计算面雨量

介绍了利用地理信息系统软件将离散的点雨量数据加工成面雨量分布图及计算区域面平均雨量，不同等级降雨量笼罩面积的方法。通过对３个个例进行了人工计算与计算机计算成果的对比分析，表明计算机计算具有速度快，客观性强的优点，同时计算质量能达到应用要求。     

应用二阶完全非线性Boussinesq方程模拟破碎波浪

建立了基于高阶Boussinesq水波方程的一维波浪破碎数值模型。基于一组具有二阶完全非线性特征的Boussinesq水波方程,建立了交错网格下的高精度差分格式,推导了适用于该组方程的永形波解析解,其和松弛造波技术相结合实现了数值波浪水槽中(强)非线性波浪的无反射入射。通过模拟封闭容器内水体晃动问题对数值格式进行了验证,通过模拟孤立波在斜坡海岸上的浅化过程说明了将方程从弱非线性发展到完全非线性的必要性。采用涡粘方法处理波浪破碎,利用物理模型实验数据,分析了模型中各波浪破碎参数对数值结果的影响并对参数进行了率定。应用该模型对规则波在斜坡海岸上的传播、变浅以及破碎过程进行了数值模拟研究,数值结果同实验数据吻合良好,验证了模型的有效性。     

椭圆型缓坡方程的高效求解方法

将一种十分有效的线性方程组的求解方法BI-CGSTAB推广用于复数域,并首次采用该方法求解了椭圆型缓坡方程离散得到的代数方程组,模拟了比较复杂的缓坡地形上的波浪变形。数值结果表明,BI-CGSTAB技术能快速高效地求解椭圆型缓坡方程,且其结果和前人采用其他方法求解椭圆型缓坡方程的结果相当一致,而BI-CGSTAB方法的收敛速度比其他方法要快得多。     

土质陡坡降雨侵蚀的数学模型及求解方法

建立了土质陡坡降雨侵蚀的数学模型,模型包括陡坡细沟间坡面流控制方程、变沟宽陡坡细沟流控制方程、陡坡细沟间坡面侵蚀泥沙连续方程及陡坡变沟宽细沟侵蚀泥沙连续方程。通过紊流冲击分布概率确定土壤剥蚀方程,确定了泥沙源/汇项的表达形式及细沟高程与宽度的表达式。通过有限元和有限差分相结合的方法求解该数学模型,利用有限单元法对数学模型的水动力方程、运动方程及泥沙连续方程进行空间上的离散,利用有限差分法解决时间域的问题,得出了顺序求解的数值计算公式及模型数值求解的具体方法和步骤。     

远破波作用数值模拟的CLEAR-VOF模型

在非结构化网格基础上,采用三阶精度的三步有限元方法离散N-S方程,CLEAR-VOF方法追踪运动水体自由表面,建立了数值波浪水槽模型.模拟了远破波冲击位于倾斜底坡上直立堤的过程.对直立堤上波压力和堤前流场的数值结果与模型实验结果做了比较.结果表明,远破波波浪力和流场的数值结果同PIV实验结果吻合较好,该数值波浪水槽模型可较好地模拟远破波的破碎冲击过程.     

岩质边坡楔形体锚索加固方向角三维优化设计

以岩质边坡中常见的楔形体滑动为研究对象,研究其最优锚固方向角的计算方法。将锚索自由段单位长度能提供的最大抗滑增量作为目标控制变量,将坡面和两组滑动面的特征参数与锚索设计参数作为优化控制自变量,通过坐标系转换建立线性方程组对锚索的预拉力进行分解,得到用于锚固方向角三维优化的新计算方程。在该方程的基础上,借助导数法和Matlab软件中的fmincon函数分别对锚索加固方向与坡面走向垂直的二维优化方式和锚索加固方向不受限制时的三维优化方式下的锚固方向角进行了优化。最后通过算例与工程实例分析相结合,证明了推荐的最优锚固方向角计算方法的有效性与先进性。新方法可进一步提高锚索的锚固效益,减少锚索的总用量,降低边坡的支护费用。     

基于集对云模型的边坡稳定性评价

集对分析对边坡稳定性进行评价时,采用线性公式来表达联系度,难以准确反映工程实际,且具体的联系度扼杀了系统的随机性。对此,将云理论中“隶属云”的概念引入对联系度进行改进得到云联系度,形成了集对云模型。该模型将云联系度矩阵与云理论改进AHP确定的权重矩阵相结合,得到综合云联系度矩阵,通过云发生器绘出等级云图。该模型兼顾系统的模糊性和随机性,且实现了等级的可视化,并通过X云发生器得到隶属不同等级的概率。将该模型应用于边坡工程中,与既有模型和工程实际进行对比分析,验证该模型的准确性,并对不同的边坡进行稳定性排序。模型结合云理论与集对分析的优点,充分考虑系统的随机性,为边坡稳定性评价提供了一种思路和参考。      

基于概率神经网络的岩土边坡稳定性预测方法

基于数据挖掘技术和智能系统,提出应用概率神经网络预测边坡稳定性的数值方法。根据大量边坡稳定或者失稳案例记录的数据库资料,采用数据挖掘方法能够从中提炼出有价值的分类模式。将岩土边坡的力学参数和几何形状作为神经网络的输入训练和测试神经网络。实际应用显示所建立的概率神经网络预测边坡稳定的实用性。与传统的极限平衡分析方法和极大似然估计方法相对比,所提出的概率神经网络具有更高的预测精度。     

缓坡地形上非线性波浪变形的并行计算

基于椭圆型缓坡方程和消息传递接口机制,提出了缓坡地形上非线性波浪变形的一种并行数值模拟方法,并在微机群集并行系统上进行了数值实现.对一种典型缓坡地形上的非线性波浪传播变形进行了数值模拟,数值结果与实验数据的比较表明,在椭圆型缓坡方程中应用非线性波色散关系可有效考虑波浪的非线性效应,同时从获得的并行效率和并行加速比来看,并行数值方法可有效提高数值模拟效率.     

由降雨侵蚀引起的山坡面水土流失预测的数学模型

数学模型包括：坡面水流连续方程、水流运动方程、泥沙连续方程（水土流失方程）、坡面变形方程。考虑到坡面流的流速及非线性双曲型方程，采用迎风有限差分显格式来离散方程，编制计算程序，进行了计算。研究成果可以描述动态坡面降雨侵蚀过程，并可将研究成果扩展到整个小流域，从而为治理水土流失提供依据。     

模型试验的分离相似设计方法——以锚索格构加固边坡模型试验为例

提出了模型试验的分离相似设计方法,以锚索、格构梁加固边坡振动台试验为例进行介绍。将传统量纲分析法中描述振动台试验各个相关参数之间关系的函数关系式定义为1级特征方程。根据边坡、锚索、格构和地震波特性的不同,将1级特征方程进行分离处理,得到分别用于边坡、锚索、格构和地震波相似设计的2级特征方程。根据每个2级特征方程中参数的重要程度不同,将关键设计参数从2级特征方程中分离出来,组成3级特征方程。根据3级、2级和1级特征方程可以分别推导得到针对边坡、锚索、格构梁和地震波各自的关键参数、相关参数和无关参数相似比,选择关键参数相似比作为模型设计的主要依据,并对试验模型进行了相似设计。解决了按照传统量纲分析法要求,模型试验无法同时满足所有参数相似比要求的问题。     

滑坡演化的非线性动力学与突变分析

基于对任-连续函数, 至少在较小的邻域内可以用多项式任意逼近的数学理论, 运用改进的Backus广义线性反演理论, 以斜坡位移时间序列为基础, 反演建立了斜坡演化的非线性动力学模型。并利用自治梯度系统与突变模型的等价性, 通过变量代换得到标准的尖点突变模型。以黄茨及卧龙寺滑坡为例对滑坡的发展孕育过程进行分析, 结果表明:该非线性动力学模型不仅预测效果十分理想, 而且具有较高的自我调整适应能力; 斜坡临滑前都以突变特征值D的突降至零为前兆特征, 可作为-个具有物理意义的前兆指标。