A finite element model of interaction between viscous free surface waves and submerged cylinders

This paper describes the simulation of the flow of a viscous incompressible Newtonian liquid with a free surface. The Navier–Stokes equations are formulated using a streamline upwind Petrov–Galerkin scheme, and solved on a Q-tree-based finite element mesh that adapts to the moving free surface of the liquid. Special attention is given to fitting the mesh correctly to the free surface and solid wall boundaries. Fully non-linear free surface boundary conditions are implemented. Test cases include sloshing free surface motions in a rectangular tank and progressive waves over submerged cylinders.     

Development of A Depth-Integrated Longshore Current Model with Unstructured Grids

A depth-integrated model for simulating wave-induced longshore current was developed with unstructured grids. Effects of surface roller and horizontal mixing under combined waves and currents were incorporated in the numerical model. Recommended values of model coefficients were also proposed based on sensitivity analysis. Field observations and three series of laboratory measurements including two cases conducted on the plane beach and one implemented on the ideal inlet were employed to examine the predictive capability of this model. For the field case and laboratory cases conducted on the plane beach, numerical results were compared favorably with the measured data. For the case with an ideal inlet, simulated circulation pattern is supposed to be reasonable although some deviations between numerical results and measured data still can be detected.     

无结构网格上二维浅水流动的数值模拟

提出在无结构网格上建立有限体积高性能格式族的统一框架,通过引入跨单元界面法向数值通量的逆风分解,将一维Osher、TVD两种通量分裂格式自然地推广至二维浅水方程组。给出了各种情况下浅水方程组有限体积法边界处理的计算公式。最后,利用该格式对穹包溢流、陆地动边界和河口潮流三个问题进行计算。结果表明,这类守恒格式具有高精度、无振荡性以及处理复杂流态过渡、自动捕俘间断和模拟陆地动边界的功能。     

洞庭湖泥沙淤积数值模拟模式

在确保沙量守恒的非恒定流、非均匀沙的二维水沙数学模型的基础上,通过洞庭湖水沙输运和河床变形计算实践,比较了两种冲泻质与床沙质的转化模式,提出了包括冲泻质在内的泥沙淤积模式和水沙动边界计算模式.从洞庭湖泥沙输运和河床变形计算的结果看,洞庭湖泥沙淤积数值模式具有较好的稳定性和较高的模拟精度,说明所建湖泊泥沙模型的良好性能和具有推广运用的前景.     

非结构网格上的三维浅水流动数值模型

针对当前复杂环境水流模拟的需求,建立了新型的基于特征型高分辨率数值算法的三维非结构网格浅水动力模型。模型采用有限体积法离散sigma坐标下的三维浅水方程,运用Roe黎曼近似解评估水平界面通量。模型网格拟合边界能力强,可根据需要局部加密;格式数值性能优良,具有守恒性、单调迎风性、高数值分辨率等特性。同时,应用干湿判别法处理动边界,以适应浅滩地形漫/露过程模拟的需要。封闭水池内部风生环流、干河床上溃坝过程和长江口实际潮流场的模拟从不同侧面展示了模型的特点,结果表明它能够准确地预测水流的三维流动结构,而且计算简单高效,具有良好的数值稳定性。     

基于Quaternary编码的球面三角格网邻近搜索算法

分析了球面Quaternary编码的特点，给出了三角格网方向判断的规则，并对该算法与Bartholdi邻近搜索算法的时间复杂度进行了对比。结果表明，分解算法的平均时间耗时量约是Bartholdi邻近搜索算法的23．66％。     

感潮河网二维水流-输运耦合数学模型

感潮河网水流不仅受径流、潮汐动力的双重影响,还常受水闸调度等人类活动的影响,水动力条件极为复杂。针对水闸调度影响下感潮河网复杂水动力及其伴随物质输移扩散模拟,提出了考虑水闸调度并集成输运对流项的水流-输运通量耦合求解器,建立了基于非结构网格Godunov格式的二维水流-输运耦合数学模型。采用具有时空二阶精度的MUSCL-Hancock预测-校正格式,结合变量重构限制器技术,在保证计算精度的同时避免了数值振荡。运用斜底三角单元网格表达水闸线状地形,并通过地形调整模拟了水闸启闭过程。算例研究表明,该模型计算精度高,可有效模拟水闸调度影响下感潮河网水流运动及污染物输运过程,具有较好的推广应用价值。     

双时间步法在二维浅水方程求解中的应用

针对传统算法效率低的问题,将隐式双时间步法应用于求解二维浅水方程,建立了非结构网格下高效的有限体积模型。在应用双时间步法时,虚拟时间层中的定常问题采用高效的隐式LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel）方法进行迭代求解。通过模拟计算4个典型算例以及与传统显式算法进行比较,对模型精度、效率及处理实际问题能力进行检验,分析了时间步长、内迭代次数对模型性能的影响。结果表明,双时间步法放宽了稳定性对时间步长的限制,时间步长可取到显式格式10倍以上,计算耗时减少了50%以上,模型具有良好精度与适应性,具有较好的推广应用价值。     

非结构化网格下近岸波生流数值模拟

波浪破碎产生的近岸流是近岸海域关键的水动力因素之一。基于近岸波浪的椭圆型缓坡方程和二维近岸波生流方程,建立了非结构化网格下近岸波浪破碎形成的近岸流数值模型。数值模型中,在空间上采用有限体积法进行数值离散,在时间上采用欧拉向前格式数值离散。数值计算结果表明,该数值模型可以有效地模拟近岸波浪破碎产生的近岸流。