河网海湾水动力联网数学模型

在一维显式、二维隐式水动力联网数学模型的基础上,建立了一种一维、二维全隐河网海湾水动力联网数学模型。该一维河网模型采用Preissmann四点隐式格式,用节点水位控制法进行数值计算,二维海湾模型采用改进型双向隐式(DSI)法进行数值求解。在河口一维、二维连接处,水力因子通过接口断面法传递,无需重叠一个一维河段来传递水力因子,避免了口门处二维网格需取较小尺度的问题。模型在珠江三角洲河网及横门、洪奇沥口门海域做了检验,验证结果表明,建立的河网海湾水动力联网数学模型是可行的,可以用于河网、河口治理工程的数值研究。     

通用河网二维水流模拟模式研究

通过对流域河网二维水流模拟问题的分析,提出了一个通用化的河网二维模拟概化模式,该模式将河网二维概化为"树状"河道计算单元、"环状"河道计算单元、"十字型"河道计算单元等河网二维基本单元,对这些河道计算单元的求解,构建流域型河网一二维耦合模式的求解模型,并由此建立了通用化的河网二维水流数学模型软件系统。通过"树状"河道二维计算单元求解模型的推导与实现,验证了概化模式的可行性,表明该思路可以应用于大型流域河网一、二维水流模拟,具有很好的应用推广价值。     

一维-二维耦合的河湖系统整体水动力模型

为对自然界中的复杂水流系统进行整体水动力数值模拟,建立了适用于河湖系统的一维-二维耦合模型.将河网计算中用于处理河段间耦合的汊点水位预测校正法应用到一维-二维耦合边界的处理中,即耦合边界水位预测校正法.该方法具有一维、二维模型计算完全独立,可有效利用现有模型的优点.与传统一维-二维耦合处理方法相比,耦合连接条件的满足程度较高且可通过对计算容差的调整进行有效控制.利用理想及实际例子进行了计算验证,结果表明该方法具有较好的实用性.     

长江中下游河湖洪水演进的数值模拟

以长江中下游(宜昌-大通)防洪系统为对象,在水文、河道及湖盆地形现状条件下,建立了一个能适应各种复杂条件的一二维非恒定流模型,来进行长江干流、河网、湖泊、分蓄洪区垸及水库的洪水演进和调度仿真.所建模型的洞庭湖部分采用无结构网格二维非恒定有限体积格式,以适应湖区复杂的边界形状和保持水量平衡.河网区部分采用一维非恒定流显隐结合的分块三级算法,以准确实现河网汊点流量的自动分配和往复流动.为了提高模拟精度和扩展模拟功能,在水流数值模拟的范围内侧重讨论了内外动边界处理、分蓄洪运用及阻力项计算等环节,提出了合理可行的数值处理方法.采用20世纪80年代至90年代共6年汛期洪水资料对所建模型进行了严格的率定和检验,高精度的模拟结果证实了模型的合理性和有效性.     

长江中下游水沙数值模拟研究

根据长江中下游水沙运动特征,采用水动力学、河流动力学和数值模拟技术相结合的技术途径,建立了一、二维混合的非恒定流非均匀沙非平衡输沙的数学模拟模型,对长江中下游干流、河网区和洞庭湖水沙运动及其河床变形进行了数值模拟,并在水沙模拟的范围内着重对河网区内水沙动边界的处理、河网汊点分流分沙计算模式、动床阻力和河湖交换模式等问题进行了讨论,提出了解决问题的途径和技术处理方法.为了验证模型的适应性和有效性,采用1981年至1989年10年长江中下游水文资料对所建模型进行了检验,模拟结果较好地反映了长江中下游干流、河网区和洞庭湖水沙输运特征和河道冲淤的宏观效应.     

浅水方程模拟中确定糙率的回归系数法

基于水流模拟本身就是模拟模型回归求真(即实体原型)过程的认识,从模拟模型和实体原型之间的相关关系出发,应用统计学中的线性回归分析方法,通过回归系数建立了模型与原型糙率系数之间的关系式,提出了二维浅水方程模拟中糙率确定的回归系数法。数值试验表明,该方法并不依赖于糙率系数的初值,具有稳定性好、收敛速度快的特点;对磨刀门水道水流的数值模拟应用显示,该方法能有效地改善模拟计算的精度,具有较好的适应能力,简便实用,为二维浅水流动模拟计算时率定糙率系数提供了一种有效途径。     

2.5维各向异性介质中多波波场正演模拟与波场分析

完全3维弹性波数值模拟计算时间长,并且占用庞大的计算资源,这不利于在计算机配置不高的情况下进行科学研究,而二维弹性波数值模拟又达不到三维模拟的精度;同时,当模型、波场空间分布比较复杂时,传统的3维波动方程拟谱法模拟结果比较差.因此,在较高数值精度的一阶应力-速度弹性波动方程的基础上,采用傅氏变换仅计算y方向的偏导数,利用有限差分方法计算x、z方向和时间的偏导数,即利用2.5维数值模拟方法,实现在二维介质中计算三维弹性波场.最后通过数值模拟实现了在各向异性介质中多波波场的数值模拟,验证了2.5维方法是一种高精度、高效率、且能适应复杂模型的正演模拟方法,通过波场分析进一步认识了波在各向异性介质中的传播规律.     

通量差分裂方法在一维河网模型中的应用

以通量差分裂格式离散非守恒型圣维南方程组,为保证河网整体离散形式的一致性,采用特征线方法离散边界节点,并引入限制器和熵修正使离散模型具有TVD（Total Variation Diminishing）特性,在线性隐式化的基础上最终构建基于隐式TVD类方法的一维河网水流模型。通过实例验证,表明提出的方法能处理跨临界流变化,而且在实际复杂河网中对水位及主、支河道分流比都能较好地模拟,具有一定实用性。     

闸控河网水文-水动力-水质耦合数学模型——I.理论

针对流域级闸控大型河网水环境日常管理的应用需求与实际特点,将资料适应性强的水文学方法与数据要求相对严苛的水动力-水质数值模型相融合,构建了一维与二维嵌套、分块组合的闸控大型河网水文-水动力-水质耦合数学模型DHQM（Hydrology, Hydrodynamics, and Water Quality Model for Impounded Rivers）。模型由河道径流模拟、闸坝调度过程模拟、河道水质模拟、区间入流及入河污染负荷估算和水质预警实时校正等5个模块组成。模型可服务于水环境实时预警和调度,也可为闸坝水文环境效应的量化提供基础工具。     

土石混合体二维细观结构模型的建立与数值流形法模拟

作为常见的岩土工程材料,对土石混合体的数值模拟能为工程建设提供直接依据。土石混合体的数值模拟包含建模和仿真阶段。在建模阶段,提出了基于石氏接触理论的背景网格-EAB块石投放算法,新的算法避免了块石的反复投放与块石间重叠判定,提高了块石投放建模的效率。在数值仿真阶段,将数值流形法(NMM)应用到二维土石混合体的模拟中,对二维土石混合体的计算模型进行了适应性的简化,通过对每个块石生成单独的数学覆盖,为土体建立统一的数学覆盖,建立了适用于土石混合体的计算模型,该模型可用于模拟填石等散体系统和连续介质共同作用。最后,通过对二维土石混合体试件进行压缩试验的算例,展现了围压对于土石混合体峰值抗压强度的影响,以及土石错动对于土石混合体抗压强度演化的影响,验证了该计算模型在模拟散体系统与连续介质共同作用时的有效性和适用性。     

急缓流态交替的陡坡河道水动力模型

为解决河道水动力模拟中由于局部急、缓流态交替可能导致计算不稳定、模拟过程无法实施的问题,提出根据实际河段存在的缓流、急流、水跌以及水跃4种流态,采用基于特征线、水量平衡等原理在各流态分界处添加内部边界的思路,建立基于Preissmann方法的复杂流态自适应模拟模型。所构建的模型能保持Preissmann方法的特点,即相邻断面离散模板以及河道首末断面各需给定一个边界条件,该特点有利于方法直接与现有成熟河网水动力模型连接。理想算例的计算结果表明方法能够模拟急、缓流之间的渐变过渡;而石亭江的实际算例表明在急、缓流态频繁交替时,采用单河道模式及河网模式均能收敛到恒定状态,满足模拟实际复杂流态时的稳定性要求。     

正交曲线坐标系二维浅水方程ELADI有限差分方法

N-S方程数值模拟的精度和效率一直是计算流体力学的重要研究课题.结合欧拉-拉格朗日方法(ELM)和交替方向隐式方法( ADI)建立正交曲线坐标系二维浅水方程的ELADI (Eulerian-Lagrangian alternating direction implicit method)有限差分方法,详细阐述了基本原理...     

二维非恒定渗流的有限元并行计算

建立了二维非恒定渗流的有限元并行计算模型,在windows操作系统下实现了基于消息传递的二维渗流的有限元并行计算。模型采用广义极小残余算法(GMRES)对方程组进行并行迭代求解,通过分析数据执行时的相关性和检验算法结构的固有串行性,将原有串行算法中的算法元直接并行化。对溪洛渡上游围堰的渗流分析进行了并行数值模拟,并针对水位骤降情况下非恒定渗流进行了并行计算,证明了模型的合理性。对模型进行了加速比测定,可以看出并行计算的效率随着问题规模的增加而逐渐提高。     

赣江下游污染负荷与水质响应关系模型

为了研究赣江下游入河污染物对河流水质的影响,建立了基于WASP（Water quality Analysis Simulation Program）模型富营养化原理和ELADI（Eulerian-Lagrangian Alternating Direction Implicit Method）有限差分方法的正交曲线平面二维水环境模型WESC2D（Two-Dimensional Water Environment Simulation Code）。模型采用基于双线性插值及亚网格技术的欧拉-拉格朗日方法求解对流项,在简单的浓度峰输运和赣江下游溶解氧变化过程算例检验的基础上,计算与分析了赣江下游入河排污口氨氮污染负荷与水质之间的动态响应关系。模拟与分析结果表明,WESC2D模型的计算结果与解析解吻合良好,有效地减少了欧拉-拉格朗日方法的数值耗散,并为赣江下游污染负荷与水质响应关系计算提供了重要工具。     

Sequential implicit vertex approximate gradient discretization of incompressible two-phase Darcy flows with discontinuous capillary pressure

This work deals with sequential implicit schemes for incompressible and immiscible two-phase Darcy flows which are commonly used and well understood in the case of spatially homogeneous capillary pressure functions. To our knowledge, the stability of this type of splitting schemes solving sequentially a pressure equation followed by the saturation equation has not been investigated so far in the case of discontinuous capillary pressure curves at different rock type interfaces. It will be shown here to raise severe stability issues for which stabilization strategies are investigated in this work. To fix ideas, the spatial discretization is based on the Vertex Approximate Gradient (VAG) scheme accounting for unstructured polyhedral meshes combined with an Hybrid Upwinding (HU) of the transport term and an upwind positive approximation of the capillary and gravity fluxes. The sequential implicit schemes are built from the total velocity formulation of the two-phase flow model and only differ in the way the conservative VAG total velocity fluxes are approximated. The stability, accuracy and computational cost of the sequential implicit schemes studied in this work are tested on oil migration test cases in 1D, 2D and 3D basins with a large range of capillary pressure parameters for the drain and barrier rock types. It will be shown that usual splitting strategies fail to capture the right solutions for highly contrasted rock types and that it can be fixed by maintaining locally the pressure saturation coupling at different rock type interfaces in the definition of the conservative total velocity fluxes. The numerical investigation of the sequential schemes is also extended to the widely used finite volume Two-Point Flux Approximation spatial discretization.

     

煤层气羽状水平井数值模拟模型的交替隐式算法

煤层气开采过程中通常采用数值模拟方法进行生产指标预测,其中的数值模型普遍采用三维全隐式差分法求解,模型涉及的参数变量多,求解难度大,计算复杂。根据煤层气的储气特征、吸附特征和解吸机理建立了反映煤层气解吸、扩散及渗流过程的气、水两相流动煤层气羽状水平井三维数学模型,模型考虑了煤层非均质各向异性的影响,运用块中心差分格式,对气、水相偏微分方程进行空间差分和时间差分,采用交替隐式(ADI)法求解,实现了煤层气羽状水平井开发数值模拟计算。交替方向格式可以把二维问题转化成一维问题,对x,y两个方向的迭代矩阵均为三对角矩阵,结构相同,易于编程计算。所建立的差分格式具有计算量小,稳定性好等优点,数值试验的结果表明效果良好。     

溪洛渡地下洞室群地震响应的二维及三维数值模型比较分析研究

验证了显示有限差分方法进行地震波衍射分析的可行性,并基于此方法分别建立了二维（2D）及三维（3D）数值模型,对溪洛渡地下洞室群的地震安全性进行了分析与讨论。研究表明,在唐山余震天津医院地震波作用下洞室群处于安全状态。对比2D及3D数值计算结果可以发现,2D数值模型计算效率远远高于3D数值计算模型;对于建造于完整性较好、强度较高的岩体介质中地下洞室群而言,可以采用2D数值模型粗略估算洞身部分的地震响应,而洞室端面的动力响应则必须通过建立3D模型来进行分析。     

杭嘉湖地区洪水演进水动力学模型研究

杭嘉湖地区地势低洼,河网密布,圩洼众多,洪涝水组成复杂,洪水调度十分困难。根据杭嘉湖地区的下垫面条件,利用加拿大一维水动力模型(1-DM)对杭嘉湖地区河网洪水演进进行了探讨。经验证,1-DM计算结果满意,有较好的使用价值。