浅水湖泊风生流的迎风有限元数值模型研究

从控制方程组出发,以Galerkin有限元法为基础,引入沿流线加权的权函数(沿流线加权的迎风有限元法)和选择性集中系数矩阵方法,推导、建立了一适合于浅水湖泊风生流计算的二维迎风有限元数值模型。并以太湖为例,对模型作了检验,分析了均匀、定常风场持续作用下太湖风生流场的形态特征。     

带横隔板圆柱绕流特性数值模拟

为揭示尾迹区添加横隔板对圆柱绕流流场特性影响,把多步格式引入到特征线算子分裂有限元法中,建立了基于多步格式的特征线算子分裂有限元法:在每个时间步内将Navier-Stokes方程分裂成对流项和扩散项,对流项时间离散采用多步格式,在每一子时间步内沿特征线展开并显式求解。方腔流数值模拟结果表明该算法既可降低对整体时间步长的要求又可提高计算精度。对比有无横隔板圆柱绕流流场和圆柱表面压力变化表明,横隔板可以有效地抑制绕流尾迹区涡旋脱落,提高圆柱背流面压力,减少圆柱上下表面的压力差。     

浅水非线性长波的数值模拟与实验研究

从数值与实验两方面研究了非线性长周期水波———椭圆余弦波在浅水中的传播。根据造波板作椭圆余弦波运动速度,推导出数值模拟波浪水槽时固定入射边界上的二阶入射边界条件,计算结果表明,二阶入射边界条件对波浪的预报结果比一阶入射边界条件对波浪的预报结果更为精确。对二阶入射边界条件计算结果和实验结果的波面升高时间历程进行傅里叶分析表明,各次谐波幅值沿波浪传播方向作周期性变化,只是变化程度较小;但入射边界条件为一阶时则没有这种现象。     

单一贴壁四面体框架绕流场三维数值模拟

四面体透水框架群作为一种新型的防冲促淤措施已经在各种河流工程中得到推广应用,由于其特殊的几何形状,仅依靠常见的量测手段确定其绕流场结构存在较大困难,使得对该类方法防护机理的理解受到限制。在CFD通用程序Fluent平台上建立三维水动力数值模型,对单一贴壁四面体透水框架的清水流场进行模拟,并与超声测速仪(ADV)实测结果进行对比验证。研究表明该数值模型有效地补充了三维复杂流场的物理实验结果,有助于理解四面体框架的防护机理。改变水力参数,计算得到阻力系数C_D相对于雷诺数Re的变化曲线,当Re>105时,单一贴壁四面体框架的阻力系数C_D为一常数值,大小为1.557。     

浅水型河道中扩散器垂向排放的三维数值模拟

采用作者给出的三维紊流模型,结合混合有限分析法及交错网格对浅水型河道中扩散器垂向排放的流动进行了数值计算。重点对该类流动的两个流动特征进行了分析:一是水面的隆起高度,二是在横流情况下的流动转变条件。进而给出了这类排放水面的最小稀释度。这些特征的探讨对废水排入江河的水力设计有重要的参考意义。     

线性剪切来流下串列双方柱绕流特性的数值模拟

为揭示线性剪切来流对串列双方柱绕流特性的影响,基于多步格式的特征线算子分裂有限元法,在计算域出口处采用对流边界条件,建立线性剪切来流的方柱绕流数值模型。对剪切参数为0~0.4的不同间距比下串列双方柱绕流数值模拟,结果表明:剪切来流可以抑制涡漩脱落,降低斯特劳哈数;上游方柱驻点随剪切参数的增加向高速侧移动,当剪切参数大于0.3时驻点的位置不再发生变化。进一步通过对比剪切参数分别为0和0.1的模拟结果发现:串列双方柱间隙内流场有无涡脱产生与该区域内水平方向时均速度场为负的区域是否连续有关;间距比和剪切参数通过改变方柱周围的速度场对作用于方柱表面的压力产生较大影响,迎流面与背流面的压力差剧增导致方柱平均阻力系数剧增。     

波生沿岸流数值模拟

为了更好地研究近岸海域波生沿岸流,建立了基于高阶Boussinesq水波方程的波生沿岸流时域数值模型。控制方程在中等水深范围内具有较好的色散性和变浅作用性能,同时具有二阶完全非线性特征,适合描述近岸区域波浪强非线性运动。通过采用松弛造波方法实现了非线性波浪的无反射入射,采用周期性侧边界条件模拟开敞边界。通过数值试验,讨论了模型中主要参数对数值结果的影响。利用率定后的参数模拟了均匀坡度海岸上产生的沿岸流,通过和实验数据的对比验证了模型的准确性和适用性。利用模型数值模拟了不同波浪入射条件(包括周期、波高和波浪入射角度)对波生沿岸流的影响。     

越流含水层系统地下水污染数值模拟

本文提出了一个越流水层系统地直水污染的数学模型，模型考虑了与越流系统有关的主要因素，并从理论上导出了包括越流项，井流项，污水灌溉渗入，降雨，河流，湖泊等渗入项的在内的各类源，汇项在对流－弥散方程中的具体表达式，并探讨了现行溶质运移问题中井点附近之所以在出现不合理结果的原因。介绍了相应的数值方法，模型用来描述方法太原盆地水污染，Ｃｌ浓度和水位的计算值与野外观测值拟合得很好，表明模型是可靠的，具有很强     

高盐度湖泊艾比湖风生流三维数值模拟

根据高盐度湖泊水动力特征,以西北咸水湖泊艾比湖为例,建立三维水动力数学模型。选取典型风场,分析风力作用下的高盐度湖泊风生流形成过程以及风生流水动力参数的三维空间分布特征。结果表明,艾比湖风生流形成在时间上可分为湖水流向和风向一致阶段、湖水运动方向逐渐偏离风向的过渡阶段及环流形成的稳定阶段等3个阶段。当流场达到稳定状态时,表层水体除中部存在若干小尺度环流外,大部分水域流向与风向基本一致;而湖泊中心区域底层水体流向与表层水体的流向大致相反,表现为很明显的补偿流。总体上,水平方向的流速自表层向下呈现递减的变化趋势,岸边流速大于中心流速,表现出与淡水湖泊基本相似的水动力空间分布特征。水体盐度增加对湖泊环流结构无影响。     

浅水流动的可压缩流数学模拟

利用浅水流动的可压缩流比拟来认识浅水方程组的特性及其有关物理现象,过去的讨论多限于矩形断面棱柱形明渠的最简单情况。本文首先将该模拟推广到任意断面非棱柱形明渠的一般情况,给出了等价绝热指数公式γ=H/h.(H为水力水深,h_c为形心水深),并指出γ=2为矩形断面的特例.然后着重阐明这一数学模拟对计算水力学具有普遍实用价值,并将计算气体动力学中的两种通量向量分裂(FVS)算法通过比拟应用于浅水流动计算。最后,本文讨论了浅水流动可压缩流模拟与一般完全气体可压缩流物理特性的异同点,据此提出正确应用这一模拟所应遵循的原则。     

恒定浅水流动的显式加速收敛算法

恒定浅水流动计算常较非恒定流更困难,主要原因是收敛慢.本文探讨了应用计算流体动力学中五种加速措施的可能性,并结合水流问题的特点作了相应修改.根据数值试验结果,推荐应用局部时间、残差光滑及多重网格三种方法,并通过试算确定计算稳定性许可的临界Cr和Δt值.选用适当的加速措施,可使计算量减少30%～50%乃至更多.     

基于二维浅水模拟的河道滩地洪水淹没研究

提出了一种河道滩地洪水淹没分析的多分辨率处理方法。该方法首先利用有限元数值求解二维浅水方程,模拟河道水流运动,并利用干湿判断处理河道动边界,获得不同流量情况下的河道水面线沿程变化;然后以水面线切割河道滩地高精度DEM(数字高程)地形,利用图像分割及区域生长法识别陆域和水域。该方法实际应用于南渡江下游河口段的滩地洪水淹没分析,有效将二维浅水模拟的低分辨率网格(10m精度)和局部滩地高分辨率地形(2m精度)结合,获得了高精度的淹没范围计算结果。     

计算浅水动力学的新方向

概述了计算浅水动力学的新方向,主要内容分为算法和应用两部分,前者包括浅水流动计算面临的困难、对算法的要求和若干新方向,着重讨论了有限体积描述及某些高性能格式的基本原理;后者给出了一些计算结果,用以反映有限体积Osher格式在明渠、堰闸、漫滩、溃坝和决堤流动计算中的应用.     

浅埋偏压软岩隧道数值模拟及方案比选

围岩的应力应变是分析隧道开挖中围岩稳定性的重要依据。目前比较成熟的隧道施工力学方法主要是对隧道开挖过程进行数值模拟。通过大型有限元软件ANSYS,计算了不同埋深、不同坡度角、不同覆盖层厚度条件下,马鞍形浅埋偏压软岩隧道围岩的应力应变,分析其规律并进行方案比选,确定了此类隧道比较合理的设计方案。分析结果表明：以2倍洞径的埋深作为偏压隧道深埋或浅埋的判断依据是合理的;在保证围岩稳定不发生片帮冒顶的前提下,减小埋深和覆盖层厚度是比较合理的;隧道内壁各点的应力应变规律可以为隧道开挖中支护结构参数的选取提供参考。     

曲流河浅水三角洲沉积过程与沉积模式探讨——沉积过程数值模拟与现代沉积分析的启示

浅水曲流河三角洲是近年来沉积学研究的热点和油气勘探的重点对象,国内外学者基于地下储层、露头、现代沉积进行了大量研究,关于浅水曲流河三角洲的沉积特征与沉积模式,不同学者往往持不同观点,在缺乏沉积过程与演化特征观察、分析的现状下,很难统一认识。基于此,本文选取鄱阳湖赣江三角洲这一典型的浅水曲流河三角洲,根据其水动力、水深、沉积物供给等数据,采用基于泥沙水动力学的沉积过程数值模拟软件(Delft3D)再现浅水曲流河三角洲的生长与演化过程,并与现代浅水曲流河三角洲对比验证,建立浅水曲流河三角洲沉积模式。研究表明:(1)在浅水环境下,曲流河三角洲快速向湖生长,三角洲前缘持续向前延伸并快速平原化,具有典型的宽平原-窄前缘的特征。三角洲垂向沉积厚度较小,但底积-前积-顶积三层结构完整。(2)浅水曲流河三角洲平原发育数条同期活跃的高弯度分流河道,在平原近端,分流河道存在频繁的侧向迁移现象,可对先期三角洲前缘、前三角洲沉积侵蚀改造,形成串珠状点坝,经长期侧向迁移可形成大规模的长条宽带状分流河道复合体,分流河道对先期沉积体的长期改造使得大部分厚层砂体呈正韵律,导致先期河口坝保存程度较低;在前缘远端,由于堤岸不稳定,分流河道往往存在决口改道现象,废弃的水道缺乏砂质沉积物供给而成为高泥质充填水道,多条废弃分流河道在三角洲平原远端形成高泥质充填河网系统。(3)浅水曲流河三角洲前缘水下分流河道是平原分流河道在水体中的短程延伸,水道长约300m,由于水体较浅,河口处水流冲刷能力较强,水携沉积物多在水下分流河道侧缘堆积形成指状坝。由于分流河道建设性极强,水下分流河道往往频繁发生决口或侧向摆动,经多期复合,可形成多分叉复合体指状坝,而前缘水下分流河道在废弃后往往被泥质充填。(4)受三角洲平原远端水道决口改道的控制,前缘多分叉指状复合坝沿岸线迁移,可形成大面积近等厚砂体。     

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。     

数值模拟在配水改善河道水质中的应用

MIKE11模型广泛应用于河流及河网的水流、水质数值模拟。为了研究最经济可行的配水改善河道水质的方式,结合上塘河配水试验建立MIKE11水动力及水质模型,通过分析不同配水方式、配水时间、配水量的情况下水质改善的效果,提出了上塘河最佳配水方案为日常开机2台、每天12h配水。对该方案进行实况配水验证的结果表明,实际效果与研究结论吻合。     

地下水浅埋条件下越冬期土壤水热迁移的数值模拟

应用土壤冻融过程中水热耦合迁移模型,对内蒙古河套灌区地下水浅埋条件下整个土壤冻融过程进行了模拟,分析了越冬期土壤水热迁移规律．结果表明,快速冻结阶段土壤冻结速度随深度线性减小．冻结过程中某一深度处的含水量增量与冻结速度呈双曲线型相关关系．提出了土壤冻融过程中的特征含水量概念,以描述土壤含水量的动态变化特征．     

降雨对浅层水流阻力的影响

通过实验室人工降雨水槽试验,研究了降雨影响下浅层水流的阻力规律。根据试验中观察到的物理现象及对实测资料的分析,讨论了降雨对浅层水流特性的影响,提出了"伪层流"的概念,建立了不同流区的Darcy-Weisbach阻力系数∫的估算式。研究成果可用于坡面流计算及土壤侵蚀模拟等方面。