一维溃坝波的数值模拟——基于WENO重构的解耦格式

采用五阶精度的WENO格式对界面变量进行数值重构,形成高精度的数值离散格式,对其捕捉溃坝波的能力进行分析。用roe平均对一维浅水方程组进行局部线性化,通过直接和解耦2种格式进行求解,数值模拟溃坝洪水的推进过程,得到沿程的水位和流速分布。与理论解的比较表明基于WENO5重构的解耦格式,具有很高的分辨率,展现了溃坝涌波的运动特性。     

高精度WENO和MWENO格式溃坝波模拟

采用高精度WENO和MWENO格式对二维浅水方程变量进行数值重构,研究分析高精度格式捕捉溃坝波的能力和分辨率.对浅水方程,采用Roe-Riemann格式和波传算法进行数值离散,并与以上2种重构方法两两结合成4种计算方法.采用Fortran语言分别对其进行编程计算.计算结果显示,高精度格式在捕捉溃坝瞬时基波延续推进的过程较好.在4种计算方法计算结果中,MWENO型波传格式模拟结果最好,捕捉溃坝波能力强,分辨率很高.     

高精度格式溃坝波模拟

采用高精度WENO和MWNEO格式对二维浅水方程变量进行数值重构,研究分析高精度格式捕捉溃坝波的能力和分辨率.对浅水方程,采用Roe-Riemann格式和波传算法进行数值离散,并与以上2种重构方法两两结合成4种计算方法.采用Fortran语言分别对其进行编程计算.计算结果显示,高精度格式在捕捉溃坝瞬时基波延续推进的过程较好.在4种计算方法计算结果中,MWENO型波传格式模拟结果最好,捕捉溃坝波能力强,分辨率很高.     

一种基于WENO格式的一维溃坝水流数值模拟研究

采用一维Saint-Venant方程组,应用WENO格式和Runge-Kutta时间离散的思想,进行溃坝水流的数值模拟,得出了水位和流速的沿程分布,并与理论解比较,发现数值解在间断波附近没有出现数值振荡,水位和流速数值解与理论解吻合较好,表明WENO格式是一种进行溃坝水流模拟的非常理想的差分格式.     

改进型WENO格式的一维爆轰波数值模拟

基于3种改进型加权本质无振荡（WENO）格式,以5阶的WENO-Z格式为参考,采用与经典WENO格式不同形式的非线性权重计算方法,对稳定、中度不稳定和高度不稳定状态下的1维爆轰波系统进行了数值模拟,克服了经典的WENO格式在计算临界点时精度降低的问题.数值实验表明,对于3种状态下的爆轰系统,基于Lagrange多项式重构的WENO-Zη格式计算稳定性好,模拟效果与WENO-Z格式较为一致,比较适合于爆轰波的数值模拟.对于稳定和中度不稳定的爆轰系统,WENO-NS格式和WENO-P格式在数值模拟中会出现小的数值振荡,但计算稳定;而对于高度不稳定爆轰系统,WENO-NS格式计算不稳定,其改进形式WENO-P格式计算稳定性较好.      

溃坝洪水的二维算子分裂——特征线模拟

根据特征线法的基本原理，推导了一维浅水运动的特征线方程和相容性方程，构造了用于溃坝计算的显格式，模拟了一维矩形断面低坝全溃的洪水波演进过程，并基于算子分裂建立了相应的二维问题特征线数值格式，对瞬间部分溃坝时二维洪水波的演进过程进行了数值模拟。得到的数值模拟结果表明，这种方法精度高，有较强的渍坝涌波捕捉能力，展示了溃坝波的运动特性，为溃坝引起的灾害预测和分析及防灾减灾等工程问题提供一种有效的数值模拟方法。     

基于通量分裂的一维溃坝洪水时空二阶精度格式研究

利用通量分裂方法和泰勒级数展开方法导出了圣维南方程组空间离散项的二阶精度格式,并采用Runge-Kutta方法计算时间离散项,使离散格式达到时空二阶精度。采用所建立的二阶精度格式对一维溃坝洪水进行数值模拟,从模拟结果可知,新格式具有自动捕捉激波的能力,数值解在间断波附近没有出现数值振荡,计算结果与理论解吻合很好,表明所建立的二阶精度格式能够很好地模拟溃坝波的演进过程。     

一维溃坝涌波的特征线-激波装配法

基于特征线上的相容方程和激波点处的间断条件,构造了一维溃坝涌波的一种拟合计算的显格式,并进行了一维矩形断面水坝瞬间全溃洪水波演进的数值模拟.数值模拟结果与理论解的比较表明,这种方法精度高,很好地模拟了溃坝涌波和展示了溃坝波的运动特性,是研究溃坝涌波一种高精度的数值模拟方法.     

总变差不增差分格式计算一维，二维溃坝波

用近年来发展的处理空气动力学中激波间的断的一类高分辨率格式－总变差不增格式（total variation nonincreasing scheam,简称TVNI）计算一维和二维溃坝波，在TVNI格式中考虑了底摩擦项（非齐次项），。研究了糙率对模拟溃坝波的影响，一维的计算结果与Stoker分析解和Lax-Wendroff格式解进行了比较，可以看出TVNI格式具有分辨率高，计算简单的优越性，二维计算采用了对称的方向分裂算法。     

二维溃坝问题的高分辨率数值模拟

对二维浅水方程空间方向的差分分裂,引入ＭＵＳＣＬ型的两参数限量函数,采用组合型的二阶ＴＶＤ格式,建立了浅水方程的高分辨率计算模型．以Ｆｒａｃｃｒｏｌｌｏ 等的部分溃坝实验模型为物理模型,模拟了该模型长历时的溃坝洪水演进过程,给出了典型位置的水位和速度计算并与其实验结果的比较．研究表明,在间断波附近,没有产生数值振荡,数值结果与实验数据相比除溃坝初期在口门附近的水位存在一定的差异外,其余位置和时刻吻合较好,特别是计算速度与实验测定值吻合更好．应用二维浅水方程和本文的高分辨率数值方法能有效地模拟溃坝波的演进过程．     

气-液两相流界面迁移现象的数值模拟研究

借助于LevelSet函数,建立了气-液两相的统一控制方程组,并在交错网格中进行离散.用两种格式,即Superbee TVD格式和5阶WENO格式求解LevelSet函数的输运方程,用SIMPLER算法的思想对主流场控制方程的求解方法进行改进.数值实验结果表明,在求解LevelSet的控制方程时,5阶WENO方法比Superbee TVD格式的结果更准确;用改进的数值算法可成功实现对密度比大于1000/1的气-液两相流界面迁移问题的数值模拟.对几种典型大密度比气-液两相流问题的计算结果与实际问题的物理规律完全一致,验证了该方法的有效性和可靠性.     

二维溃坝波传播的数值模拟

采用附加人工粘性的显式Maccormack格式求解二维浅水方程,并对人工粘性加上开关函数,建立了模拟大坝瞬间局部溃倒所致的洪水演进过程的数学模型。用该模型预测了矩形河道中堤坝瞬间局部溃倒后8 min的洪水演进过程,得出了水面线和流场分布,并对溃坝洪峰到达时间和最大淹没水位的沿程分布作了分析。     

尾矿库溃坝砂流在下游的演进运动规律

 尾矿库溃坝灾害会造成尾矿大量泄漏,溃坝砂流会淹没农田、污染环境、危害生命财产安全。为研究溃坝砂流演进运动及规律,基于尾矿库溃坝砂流的流变特性,构建了尾矿坝溃坝砂流在下游演进运动的数学模型;采用4 次抛物线概化尾矿库溃坝下泄砂流流量过程线,该方法确定了泄砂总量、溃坝口平均宽度、坝址最大砂流量、坝址流量过程线等溃坝的重要参数;以某失事尾矿库为例,利用该数学模型,从平面堆积范围、堆积纵剖面、堆积横剖面3 个方面揭示了溃坝砂流在下游演进运动规律。     

A large time step Godunov scheme for free-surface shallow water equations

An algorithm for simulating free surface flows is presented using large time step based on the wave-propagation method proposed by LeVeque, and an exact Riemann solver is used. A multiple wave approximation approach was suggested for eliminating the discontinuities found in the rarefaction fans of dam-breaking flows. In addition, we use the random choice method to reduce non-physical oscillations. Applications demonstrate that the algorithm proposed in this paper can considerably increase the CFL number up to 25 when modeling dam-break flows, while retaining satisfactory accuracy and efficiency. This suggests that our algorithm has the potential to be applied to modeling free surface flows.     

强间断多介质流的高精度伪弧长方法

考虑到双曲守恒律方程随着时间的发展,产生的解会包含强间断. 伪弧长算法可以削弱方程的奇异性,因此结合伪弧长算法和高精度权基本无振荡格式发展了高阶伪弧长算法,有效提高计算求解的精度和分辨率.由于在变形的网格中直接构造高精度格式较为复杂,因此通过坐标变换将控制方程映射至正交均匀的弧长空间,然后在弧长空间中完成计算. 结合Level Set技术和虚拟流体法界面处理,将算法拓展到多介质流的计算中,针对网格移动以后Level Set距离函数的插值,提出了三阶非守恒插值格式.计算结果表明,高精度伪弧长算法具有较高的收敛阶,可以有效降低间断处的数值震荡,提高间断分辨率.      

小浪底河段浑水流动的三维数值模拟

基于湍流随机理论,针对黄河中游小浪底工程建成前的河段水沙流动特点,建立了河流的三维水沙流数学模型。在此模型中,采用了各向异性湍流的Reynolds应力数值格式和自由面位置的Poisson方程,并将精细壁函数应用于边壁处理。建立了床面附近含沙量表达式,将传统的床沙级配控制方程推广到三维模型。在贴体坐标系下,用此数学模型计算了此河段的含沙量和流速沿河宽和垂线分布,计算结果与原型实测成果基本吻合,从而证明了此模型的可行性,以及计算方法和程序的可靠性。     

小浪底河段浑水流动的三维数值模拟

基于湍流随机理论,针对黄河中游小浪底工程建成前的河段水沙流动特点,建立了河流的三维水沙流数学模型。在此模型中,采用各向异性湍流的Reynolds应力数值格式和自由面位置的Poisson方程,并将精细壁函数应用于边壁处理。建立了床面附近含沙量表达式,将传统的床沙级配控制方程推广到三维模型。在贴体坐标系下,用此数学模型计算了此河段的含沙量和流速沿河宽和垂线分布,计算结果与原型实测成果基本吻合,从而证明了此模型的可行性,以及计算方法和程序的可靠性。