一种复杂边界河流污染模拟的二维贴体网格划分方法

在天然河流的流场和污染物输移的数值模拟中,河流网格划分是一项非常重要的任务.由于天然河道的边界往往比较复杂,若采用规则的网格划分方法,很难做到与实际岸线准确拟合,而贴体网格在处理边界问题方面具有一定优势,因此常常用来对复杂边界河道进行网格划分本文采用泊松方程,结合边界点的滑移生成贴体网格,探索一种能够较好地对复杂边界二维河道进行剖分的方法,并用于某河流的污染事故模拟,证明该方法是成功有效的.     

含滩地交汇河道水动力特性与掺混特征数值模拟

为研究滩地对河道交汇区水动力特性以及物质输移的影响，建立了含滩地河道交汇区的三维水动力-污染物耦合数值模型，模拟并分析了不同高度和宽度的滩地对交汇区水流结构及污染物横向掺混的影响。研究结果表明：支汊滩地引起的侧向入流垂向动量重分布，对交汇区的双螺旋流结构，污染物横向扩散范围以及掺混层的位置、形态特征和宽度等均有显著影响；支流侧二次流强度和范围随着滩地高度的增加而增大，滩地展宽使支流侧二次流向左岸偏移、强度增大；污染物混合程度与二次流密切相关，二次流的强度、位置和范围均对物质掺混速率有重要的影响，二次流的强度越高、范围越大、位置越接近掺混层，污染物掺混速率越快。     

准二维非恒定非均匀泥沙数学模型

在一雏非恒定非均匀泥沙数学模型研究的基础上,提出了可以模拟横向冲淤变形以及河宽变化的准二维非恒定非均匀泥沙数学模型．将横断面沿河道流向分成若干个流管,对每个流管利用非耦合法分别求解水流方程和泥沙方程．运用Preissmann四点偏心隐式格式对水流连续方程和运动方程进行离散,并用追赶法求解．采用迎风格式将悬移质连续方程离散成差分方程求解．根据最小能耗率原理,判别河床冲淤变化方向,以确定河宽是否变化、该模型弥补了以往大多数准二维泥沙数学模型只能按等流量划分流管,且只能模拟恒定流、均匀沙、固定河宽情况下的河床冲淤变化的缺陷．利用青铜峡水库实测的水沙资料,对所建立的模型进行了验证,计算结果与实测值吻合良好．     

岛屿尾流近区浓度的分布特性

对岛屿尾流近区的污染物混合输移特性进行了研究。采用平面激光诱导荧光 (PL IF)技术 ,在恒定来流中 ,分别对圆柱和正弦形状岛屿后 7倍岛屿半宽度范围内的浓度场进行了测量。分析了长时间平均浓度场、脉动浓度场、最大浓度场和尾流浓度断面半宽度的沿程变化规律和大尺度旋涡的存在对尾流区污染物混合输移的影响。结果显示 ,在同样来流条件及排放浓度下 ,正弦形岛屿近区尾流内积聚的污染物浓度大于圆柱形岛屿近区尾流内的浓度 ;基于平均浓度场和脉动浓度场而得到的尾流浓度半宽度大致相同 ,在实验范围内是线性发展的。本研究不仅是环境水力学学科发展的需要 ,而且有利于水污染的控制     

A new model for the grid size optimization of the finite element method --Based on its application to the water quality modeling of the topographically complicated river

The finite element method is one of the typical methods that are used for numerical water quality modeling of the topographically complicated river. In this paper, based on the principle of probability theory the probability density of pollutants is introduced. A new model for the grid size optimization based on the finite element method is developed with the incorporation of the maximum information entropy theory when the length of the grid is given. Combined with the experiential evaluation approach of the flow discharge per unit river width, this model can be used to determine the grid size of the finite element method applied to water quality modeling of the topographically complicated river when the velocity field of the river is not given. The calculating results of the application of the model to an ideal river testified the correctness of the model. In a practical case-the application of the model to the Xingjian River (the Hengyang section of the Xiangjiang River), the optimized width of the grid of the finite element method was gained and the influence of parameters was studied, which demonstrated that the model reflected the real situation of the pollutants in the river, and that the model had many excellent characteristics such as stabilization, credibility and high applicability in practical applications.     

基于断面岸边系数法的河流水位流量流速面积算法研究与应用

目前河流流量计算方法多采用数值积分近似代替实际单宽流量曲线对河宽的函数积分,该方法由于忽略了计算死水区和岸边河流的流速,从而产生较大的流量误差,分析了各算法的代数精度与截断误差,提出了一种新的流速面积计算方法,通过采用断面岸边系数法计算河流流量,并通过实验数据验证了该算法的精度,对河流流量计算方法具有一定的理论参考价值。     

Numerical Analysis of the Mixing Zone for a Vertical Discharge into a Tidal River

Introduction　　WiththerapiddevelopmentofindustryandagricultureinChina,nowenvironmentpollutionbecomesaveryseriousproblem.Atpresent,manycoastalcitiesarebuildingorhavebuiltwastewatertreatmentprojectsneartheoceanorriverstotakeadvantageoftheself-cleaningcapabilityofriversandoceans.Inordertoconstructsuchdischargeprojectstomeettheenvironmentqualityrequirements,predictionofthepollutantconcentrationfieldisneededatthedesignstage.ThewastetreatmentprojectanalyzedinthispaperissituatedontheQiantangRiver,…     

用脉冲谱-优化法求解对流-扩散方程源项控制反问题

作者曾撰文求解了对流-扩散方程边界条件控制反问题，可根据下游河道的环境容量反求上游边界的限制浓度，作为确定排放标准的参考．在此基础上，本文求解对流-扩散方程的另一类反问题——源项控制反问题，并考虑了水流自净能力；作为典型的算例，可根据下游河道的环境容量反求散布在上游河道中的若干个污染源的限制强度．本文的成果与前文的成果相结合，可基本解决一维河道的污染源控制问题．解算方法仍为作者在前文中提出的脉冲谱-优化法，但本文导出了目标泛函对未知源项的变分的解析表达式．计算结果表明，用脉冲谱-优化法求解源项控制反问题，避免了传统的“试错法”，求解所需的信息少，计算精度高、速度快，能一次解出若干个污染点源的限制强度，在环境水力学领域有广泛的实用意义，也可用于泥沙悬移质控制问题．     

河道汇流口水力特性对鱼类栖息地的影响

利用河道水流增量法（IFIM）研究了交汇河口汇流比、汇流口下游弗劳德数及汇流口下游宽深比这3个主要水力控制因素对鲤科鱼类及平鳍鳅科鱼类栖息地的影响．结果表明：在交汇河口,水力条件的变化对鲤科鱼类及平鳍鳅科鱼类适宜栖息地分布影响不大;随着汇流比增大,加权可用面积（WUA）逐渐减小;随着汇流口下游弗劳德数增大,WUA迅速减小;随着汇流口下游宽深比增大,WUA逐渐增大,且增幅很小、WIM可以给出鱼类适宜栖息地面积与各水力控制因素之间的定量关系,可为河流管理与决策提供支持．     

基于非均匀网格求解非线性对流扩散问题的一种高精度差分格式

将作者基于均匀网格提出的优化差分法和反演差分法推广到非均匀网格中，提出了一种有效求解定常非线性对流扩散问题的高精度差分格式，在此基础上进一步发展了相应的非定常非线性对流扩散问题的高精度格式。数值实例表明，该格式对对流占优和扩散占优问题均具有较好的适应性，对待求量的大梯度变化有极高的分辨能力，计算结果明显优于传统的差分格式。此格式亦可方例地应用于非均匀网络在计算区域内取所有空间步长相等时的特例－－均匀网络中。在水环境模拟的实际计算中，根据待求量的变化规律合理地调整非均匀网络的疏密分布，不仅增强了高精度差分格式的实用效果，而且可使该格式获得比在含相同结点数的均匀网络系统中更为精确的数值结果。     

黄海辐射沙脊群海域水环境数值模拟研究

为了弄清黄海辐射沙脊群这一具有广阔潮间带典型海域的水动力及污染物扩散稀释情况,在该海域找到较为理想的污染物排放位置,采用沿深垂向平均二维数值模式对该海域的潮流场和物质扩散场进行了模拟,模拟过程中采用变网格技术和改进的“干湿法”处理动边界问题．通过海域水体余流场和几个典型位置Lagrange水质点运动轨迹的计算,分析了余流场对污染物运移的影响,并得到了该海域较为理想的污染物排放位置．     

淮河上游生态需水量计算分析

为分析计算淮河上游河流生态需水量,提出了丰水期、枯水期、平水期保证率分别为45%,75%,50%的淮河上游适宜生态径流计算方法,选用淮河上游干流息县、长台关以及大坡岭3个主要控制站1960～2005年历年天然来水量资料,计算了淮河上游最小生态径流和适宜生态径流,并运用Tennant法进行评价.结果表明,最小生态径流在很大程度上有损于河流生态系统稳定与健康;总体而言,3站适宜生态径流均可以使淮河上游河流生态环境状况达到最佳,但在某些年份各站实测月均流量小于其适宜生态径流量,而且丰水期适宜生态径流破坏率较枯水期的要高.因此,在某些年份为满足淮河上游适宜生态需水要求,还应增加河道内生态用水量.     

汇流比对U形弯曲交汇河道中污染物离散系数的影响

针对弯曲河道交汇区污染物离散系数的分布特征进行研究,通过建立U形弯曲交汇河道水气两相流数学模型,进行交汇区水动力数值模拟。数学模型经试验数据验证后,模拟分析了不同汇流比对弯道交汇区水流结构和离散特性的影响,离散系数采用二维离散张量法进行计算。结果表明,支流入汇导致交汇断面附近纵向和横向离散系数达到峰值,该峰值随着汇流比的增大而增大;横向离散系数沿程分布呈现单峰结构,纵向离散系数沿程分布呈现双峰结构。     

复杂铝型材挤压成形有限体积仿真

根据型材挤压成形属于特大变形、热-力耦合、坯料头部存在变形死区等特点，采用欧拉描述有限体积法(FVM)模拟了3级复杂型材的挤压成形过程，避免了传统刚塑性有限元法无法模拟变形死区，拉格朗日描述有限变形弹塑性有限元法难以重划特大变形网格等难题．模拟过程中，采用欧拉描述FVM仿真坏料流动，采用拉格朗日描述有限元法仿真模具变形和应力，采用显式动态接触算法仿真坏料与模具之间的相互作用．确定了兼顾仿真精度和速度的有限体积网格的最小尺寸和单元最大数量，提高了计算效率；建立了6063-T5铝合金在不同变形温度下的系列热-本构-摩擦模型，获得了金属流动、力能、温度、密度变化分布．为工艺和模具参数优化提供了依据．     

高低刃脚异形钢围堰水力作用数值研究

建造桥梁深水桥墩多采用围堰施工,作用于围堰的水荷载是控制围堰结构设计及其下沉施工安全性和稳定性的关键因素,当前设计规范对围堰水力作用的考虑十分粗略。为探明某桥墩高低刃脚异形钢围堰施工过程中的水荷载特征,采用计算流体动力学方法分析围堰绕流流场,基于河道横断面地形资料足尺构建三维流体域,运用重叠网格技术高效建模模拟钢围堰下沉过程。研究结果表明,围堰两侧存在局部流动加速且呈不对称分布,围堰深水侧水流速度相对更大,围堰下方下游侧流速随河流深度增加呈降低趋势;围堰外表面压强除迎流侧为正压外,其余大部分均为负压,各区域负压随着下沉深度增加而逐步增大;下沉初期绕流场受围堰及护筒双重影响,随着围堰逐渐下沉至河床底,护筒影响逐步消失;流场各区域湍流强度随着下沉深度的增加整体呈现出先增大后减小的变化规律,最终最大湍流强度区域稳定于堰尾。围堰阻力系数及侧向力系数几乎不受来流流速影响,进一步验证了其无量纲性;阻力及侧向力随来流流速增大而增大;阻力随入水深度增大而增大,侧向力也整体表现出类似规律,但在入水深度8 m处受围堰异形区段三维流动效应影响,出现侧向力局部极小值的反常现象。     

浆叶的厚度和扭转对低雷诺数旋翼悬停流场的影响

运用嵌套网格技术研究了浆叶的厚度和扭转对低雷诺数旋翼流场的影响.对旋翼浆叶生成单块的C型贴体网格,同时针对悬停流场的基本特征,采用近似柱型的背景网格来捕捉远场尾涡,网格间流场信息的传递通过嵌套网格技术来实现.首先,通过模拟高雷诺数的悬停流场验证了方法的可行性,在此基础上,对低雷诺数旋翼浆叶在不同厚度和有无扭转时的悬停流场进行了比较分析.     

变压器局放电故障测向的复倒谱去混响方法

变压器绝缘劣化是导致局部放电的主要原因,研究局部放电精确测向,对整个电网的安全运行具有很重要的工程意义。由于变压器的结构比较复杂,发生局部放电时,光纤超声传感器阵列接收到的局放信号包含通过油箱壁、铁芯、绕组等介质平面反射散射的局放信号,对局放点测向造成很大误差。本文研究了最小相位分解法去混响算法,并基于研制的阵列进行油中局部放电测向实验,采用MUSIC算法计算放电源的DOA。实验结果表明最小相位分解法去混响能将局放信号中的混响部分有效抑制,去混响后的测向精度有明显改善。     

街谷结构内流场和污染浓度场的数值模拟研究

从三维尺度出发,对6种不同几何尺寸的街谷结构内流场和污染浓度场进行了数值模拟.流场计算模型采用Spalart-Allmaras湍流模型,污染物浓度场采用与流场耦合的对流扩散方程模拟,采用有限元方法离散微分方程.模拟结果表明,街谷结构的几何尺寸对其中流场和污染场的分布有很大的影响.宽度较小,高度较大的街谷结构内流场较复杂,污染物在其中比较不容易扩散.本文对不同街谷结构内流场和污染物浓度场的分布进行了对比分析,对城市规划设计、城市气候以及城市空气质量控制等领域具有重要意义.     

基于尺度转换的数字水系提取方法及应用

 低分辨率DEM提取数字水系精度不高,不能满足水文模型建模需要。在Mark和O’Callaghan提出的坡面径流模拟算法提取水系的基础上,将高分辨率栅格的流向分配至低分辨率栅格内,采用向量运算法则和栅格最大集水面积法,通过流向的聚集过程判断低分辨率栅格的流向,进而将高分辨率DEM提取的数字水系转换成低分辨率栅格水系,并在洣水等5个不同流域加以应用。研究分别采用水系密度和流域宽度分布两项指标对尺度转换后水系与提取的各种尺度水系进行比较,结果表明,该方法简单有效,对于平原区水系提取及山区水系提取都有较好的适应性,转换后水系与实际相符,满足水文模型建模要求。     

长江（江苏段）贴体二维正交网格的生成技术

网格化是水质水文模拟的基础。本文将河流动力学中的河势概念,引入到河道二维网格生成方法研究中。通过Hermit三次插值函数生成的网格控制曲线和研究河段的河势相拟合,生成长江（江苏段）河势贴体二维网格。