泄洪洞整体三维紊流数值模拟

利用实用、高效的泄洪洞整体三维紊流数值模型,对滩坑水电站泄洪洞进行了数值模拟,该模型采用引入VOF方法的k-ε紊流模型,结合通用性强、易扩展的非结构混合网格。为克服网格扭曲给计算精度带来的影响,用一种改进精度的格心格式计算通量,使之具有非结构网格剖分的灵活性,程序的通用性和可扩展性,又有较高的计算精度。数值模拟结果和模型试验数据的对比分析表明,该模型是实用可靠的。     

淹没水跃的数值模拟

利用标准双方程紊流模型数值模拟了进口Fr₁为819、淹没度为024、闸下出流形成的淹没水跃。详细介绍了数值离散格式特别是用VOF方法跟踪非恒定自由表面的数值方法。将淹没水跃的数值模拟结果包括自由表面位置、平均流速、雷诺应力分量的分布与物模试验结果进行了对比,表明该数学模型及数值方法能够较为准确地模拟淹没水跃的大尺度紊流结构及其微观结构。     

三维地层的三棱柱剖分与土方计算

三维地层剖分算法是实现地层三维可视化与土方计算的重要基础。采用三棱柱体建模方法构造三维地层,分析任意平面切割三棱柱的不同情形,得出了针对三棱柱地层的剖分算法;提出了以切割面为分界面,将单个三棱柱剖分成多个小三棱柱的三角投影分割法--将三棱柱顶面、底面及切割截面按一定规则进行合理三角化划分,使划分后三角形在水平面上的投影相重合;将该3层三角形组合成以切割面为分界面的2层小三棱柱,从而完成剖分。土方计算中首先给出开挖体的边界控制方程,根据该控制方程所限定的内边界得到开挖区域,结合上述剖分算法,对该区域内所有小三棱柱体积求和,得到开挖土方量。将以上算法应用到广东省某重大水利工程中,实现了基坑模拟开挖及其土方计算。     

自由跌流的水力特性

运用解析函数的Riemann-Hilbert混合边值问题理论,导出了计算重力作用下二维跌水流动的边界积分方程,并在物理平面上进行了数值求解.计算结果与Rouse试验资料进行了比较.     

斜坡上异重流的三维数值模拟

针对异重流的流动特征,建立了适用于具有各向异性浮力紊动特征的三维异重流运动的数学模型,并模拟了异重流在15°斜坡底面上的潜行过程。计算结果准确地模拟了异重流的运动特征和形态,其前锋的潜行速度与实验结果相当吻合。该模型采用非结构同位网格上的SIMPLEC算法能适应复杂边界和地形,可应用于自然界实际环境中异重流的演进计算。     

高拱坝宽尾墩三维流场数值模拟

高拱坝表孔宽尾墩收缩射流水舌的扩散特性与其出口流速分布密切相关,为了求得收缩射流的水力特性,应用RNGk ε双方程湍流模型对高拱坝表孔不同体型及过流量条件下可能出现的降水曲线流态、急流冲击波流态、水跃壅水流态、缓流流态4种流态进行了数值模拟计算,水流自由表面的模拟采用VOF法,得到了溢流水面及流速分布。结果表明,无论在何种流态下,计算所得的水面曲线均与物理模型试验值吻合良好,所得的出口流速分布结构也验证了高拱坝宽尾墩收缩射流水舌不同流态下分散的机理。     

砂岩常规三轴的颗粒流数值模拟

以砂岩的室内试验数据为参照,使用颗粒流数值程序PFC3D,建立刚性颗粒组成的模型.通过设置颗粒接触模量、颗粒刚度比和接触粘结强度等细观力学参数,得到有合适宏观力学反应的模型.通过数值模拟获得砂岩微裂隙发展的过程,得到不同围压下砂岩的应力-应变曲线,反应出砂岩试样的弹性模量随围压增大而增大的性质.结果表明,PFC3D程序能够较好地模拟荷载作用下岩石的细观力学特性和宏观力学反应.     

新疆渭干河流域地下水三维流数值模拟

采用任意多边形网格有限差分法求解模型,根据地下水水头长观资料识别模型的水文地质参数,建立了含混合井孔的6层模拟系统的地下水三维不稳定流模型来刻画渭干河流域地下水流动的基本规律.运用识别后的模型进行了地下水资源评价,预测了未来10 a不同开采条件下的地下水动态变化,探讨了地下水资源的合理开发模式,提出在以蒸发排泄为主的条件下,应在保证生态用水的前提下最大限度地夺取无效蒸发.     

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。     

温度和盐度分层流的数值模拟

以N-S方程和k-ε湍流模型为基础,针对水温和盐度分层流的流动特性,考虑了浮力对紊动的影响,建立了温度和盐度分层流的k-ε模型,对同时存在温度和盐度梯度的一类密度分层流进行了数值模拟计算,其中紊动平均量控制方程中的紊动项是由k-ε紊流模型计算,给出了速度、温度和盐度的分布。计算结果正确地反映了分层及紊动特征,与实测结果吻合较好。     

A finite volume approach with local adaptation scheme for the simulation of free surface flow in porous media

We present a method for solving steady‐state flow with a free surface in porous media. This method is based on a finite volume approach and is halfway between a fixed and an adaptive mesh method, taking advantage of both approaches: computational efficiency and localization accuracy. Most of the mesh remains fixed during the iterative process, while the cells in contact with the free surface (free surface cells) are being reshaped. Based on this idea, we developed two methods. In the first one, only the volumes of the free surface cells are adapted. In the second one, the computational nodes of the free surface cells are relocated exactly at the free surface. Both adaptations are designed for a better application of the free surface boundary conditions. Implementation details are given on a regular finite volume mesh for the case of homogeneous and heterogeneous rectangular dams in 2D and 3D. Accuracy and convergence properties of the proposed approach are demonstrated by comparison with an analytical solution and with existing references. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

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。     

三维交叉裂隙渗流传质特性数值模拟

对交叉裂隙渗流传质特性的定量描述是研究整个裂隙网络渗透传质特性的基础。为真实模拟水流及溶质在三维交叉裂隙中的运移过程,首先通过三维轮廓仪获取天然岩石裂隙表面的形貌数据,再应用三维重构技术生成相应的三维交叉裂隙模型,随后求解Navier-Stokes方程,假定溶质运移满足Fick定律,模拟水流和溶质在三维交叉裂隙中的运移过程。通过对比粗糙裂隙模型与平行平板模型的模拟结果发现：粗糙度对流体的分布及流动状态存在显著的影响;不同进、出口工况下的流体流动及溶质运移状态亦表明：裂隙交叉的几何形貌会显著地影响溶质混合行为。这些结果表明,目前被广泛采用的平行平板模型在评估岩体内特别是交叉口的物质运移特性时将导致较大的偏差,在将来的研究中有必要针对裂隙交叉口的几何特征建立修正的模型以提高评估的准确性。     

复杂矿山地质形体的三维数值网格划分自动化平台

由于Surpac软件本身功能的限制,基于Surpac块体模型的三维数值建模技术在处理复杂矿山地质形体时存在费时、繁琐等缺陷。通过沿用八叉树层层细分的基本思路,研究了多个地质形体的网格批量自动划分技术,针对现有计算机处理能力在解析精度与模型尺度方面存在的矛盾,借用多重网格法概念探讨了网格局部加密和多尺度划分问题。并应用VC++开发了三维数值网格划分自动化软件平台,使复杂矿山地质形体的计算网格划分更加便捷高效,为开挖力学状态数值分析的自动化提供有力支持。该系统在玲珑金矿原始地应力反演数值建模中得到了实际应用,结果表明,该方法是实际可行和有效的。     

明渠交汇水流阻力对平面二维数值模拟的影响

与顺直明渠水流相比,明渠交汇水流由于存在分离区和自由剪切面,其紊动特性引起的阻力较为复杂,交汇水流除床面阻力外还受到较强的阻力。基于数值模拟与实验比较分析表明,分离流与自由剪切流所产生的阻力(紊动粘性阻力)对于交汇水流数值模拟具有重要影响。同时,由于平面二维模型对二次流影响的忽略,断面环流较强时数值模拟会产生较大的阻力(环流阻力),而断面环流较弱时,交汇水流的三维特性相对较弱,采用平面二维模型和k-ε紊流模型能达到较好的模拟效果。因此,紊动及环流阻力的计算对交汇水流数值模拟的精度至关重要。     

流动环境中圆孔水平热射流三维数值模拟

根据计算流体动力学理论,采用Realizable k-ε紊流模型和SIMPLEC算法,考虑浮力作用,利用有限体积法来离散求解流动环境中圆孔水平热射流的流动与传热控制方程,对流动环境中圆孔水平热射流进行了三维数值模拟,比较了不同流速比和不同射流出口温度条件下的流动特性和温度分布特性,得到了热射流轨迹的速度和温度衰减规律,分析了流速比和射流出口温度对热射流轨迹温度分布的影响。     

非规则网格下二维浅水流动的数值模拟

建立了一种在非规则结构化网格上求解平面二维浅水流动的有限体积方法。通过采用地形在离散网格内双线性变化及离散网格界面间地形连续的地形逼近方法和应用可以有效处理间断问题的Roe格式来离散浅水方程中的对流项,并通过VanLeer提出的状态插值法提高格式精度。在计算原始变量在网格内的插值梯度时,采用最小二乘方法求变量的最优梯度代替差分计算梯度,从而可采用任意形状的不规则四边形网格离散计算域。计算实例表明,该方法能够计算间断问题并能够处理各种复杂流态的过渡,具有较好适应性和计算精度,能够满足不同实际问题的计算要求。     

饱和-非饱和非稳定渗流的数值模拟

介绍了饱和-非饱和渗流的计算程序数值模拟方法,该方法模拟了降雨过程中边坡内孔隙水压力的变化,克服了传统降雨边界处理方法的缺陷,考虑了降雨过程中地表边界的条件转化,为以后的径流渗流耦合的模拟提供了良好的基础,为降雨诱发滑坡研究提供了定量分析手段。