基于二维浅水方程的溃坝水流数值模拟

针对溃坝水流的特点, 提出了一种基于二维浅水方程的数学模型, 对溃坝水流进行数值模拟研究. 模型采用二阶leap-frog格式和一阶迎风格式相结合的有限差分格式进行数值离散, 计算网格采用时间和空间交错网格. 在模型建立完善的基础上, 对模型进行一维和二维的数值验证, 主要算例包括:下游有水的溃坝洪水理论解, 带有三角形障碍物的一维溃坝模型试验以及二维溃坝数值模型试验. 通过与理论解和实测值比较, 结果表明模型具有良好的稳定性以及模拟间断水流和处理动边界问题的能力.     

溃坝洪水演进的数值模拟

开发了溃坝洪水演进数值模型,对模型控制方程采用有限体积法进行空间离散,采用具有总变差减小特性的MacCormack预测-校正格式进行时间离散.采用非规则局部不连续网格划分计算区域,增强了模型对复杂地形的适应能力;具有总变差减小特性的数值格式使模型具备了强大的间断波捕捉能力,并消除了模型稳定性对人工黏性的依赖;基于单元属性与基于界面属性的动边界处理技术使模型能合理地模拟非恒定性强、干湿变动剧烈的水陆边界.实际算例表明：模型在强非恒定流状态下具有稳定性及守恒性,可作为溃坝洪水预报及其灾害防范的有力工具.     

应用Godunov格式模拟复杂河网明渠水流运动

为克服传统河网数学模型无法准确模拟急流或存在水面间断的复杂明渠水流等问题,采用具有良好激波捕捉能力的Godunov格式建立了新的一维河网水动力数学模型.模型采用基于HLL格式的有限体积法离散Saint-Venant方程组,采用数值重构的方法使模型整体获得时空二阶精度.在汊点处由质量、能量守恒方程和特征线理论构造汊点方程组,求解该方程组为各河段提供内边界条件.模型计算无需特殊的河道编码,每个汊点和河段分开单独求解.通过4个经典的数值算例对模型进行了验证,结果表明模型能够自动处理流态变化,具有良好的精度和稳定性,同时具备很好的模拟复杂河网水流运动的能力,说明新研发的河网数学模型是成功的.     

基于通量差分裂的圣维南方程组离散方法

为了提高一维河道水流模拟精度,以通量差分裂格式为基础,从波动守恒角度出发,结合限制器和熵修正等数值技术构建了一种理论基础较强且计算稳定的圣维南方程组高精度离散方法.标准的一维溃坝算例表明,该方法在处理含激波流动问题时具有可靠的稳定性;陡坡实验水槽算例验证结果表明,该方法在模拟跨临界流时也具有良好的数值精度.该方法可以作为一维水流模拟的一种有效方法加以应用.     

求解具有复杂地形二维浅水方程的修正HLL格式

采用非结构网格的有限体积方法,对具有复杂地形的二维浅水方程进行数值模拟.采用HLL近似Riemann解计算界面数值通量,基于三角形网格,底坡源项采用简单的斜底模型离散,保证了地形的离散精度,摩阻源项采用全隐方式求解以保证格式的稳定性.采用多维重构及多维限制器的方法获得空间二阶精度的格式,时间离散采用三阶Runge-Kutta法以获得高阶时间精度.为保证格式的和谐性,对经典的HLL格式计算的数值通量中的静水压力项进行了修正.数值计算的结果验证此格式具有良好的高精度捕捉间断的能力,可以应用到地形复杂的二维浅水问题计算中去.     

高填方渠道溃堤洪水三维风险图研究

目前的风险图绘制研究中,洪水淹没计算多基于一、二维数值模拟,洪灾风险分析较少考虑地形危险性,未能真实反映复杂下游区域洪水淹没情况及洪灾风险分布.因此,本文提出基于三维数值模拟和数据场耦合的高填方渠道溃堤洪水风险图分析方法.首先,建立耦合VOF法的SST k-ω三维溃堤洪水演进数学模型,该模型结合了k-ω和k-ε模型的优势,增加了交叉扩散项,考虑了剪切应力的输送过程,能更精细地模拟湍流过程;其次,基于三维溃堤洪水淹没计算,引入数据场模型,考虑区域地形与洪水各灾情信息的综合风险,绘制三维洪水风险图,并与二维洪水风险图相结合,实现洪灾风险分布的详细、直观表达.以某高填方渠道为例,阐述了风险图绘制方法,分析了溃堤洪水的风险分布特征.     

含沙溃堤洪水数值模拟分析

为了研究复杂地形下含沙溃堤洪水的泥沙输移和床面冲淤,分析泥沙冲淤对溃堤出流的影响,评估水沙共同作用下的洪水风险,建立了非结构化三角网格的二维水沙数学模型.单元界面的水动力通量采用基于近似黎曼解的Roe格式计算,泥沙通量采用TVD-MUSCL格式求解.用小尺度的水槽动床试验数据对数值模型进行验证.将模型应用于黄河宁蒙段河道洪泛区某溃口含沙溃堤洪水的数值模拟.模拟结果表明,溃口冲刷坑外围易形成环形泥沙淤积体,同时洪泛区出现明显泥沙淤积.因此,含沙溃堤洪水带来的泥沙淤积问题不容忽视.通过比较清水定床、清水动床、含沙定床和含沙动床4种数值模型的计算结果,发现床面冲淤变化对溃堤洪水进洪流量有明显影响.     

复杂地形上坝堤溃决洪水演进的非结构有限体积模型

针对复杂地形上坝堤溃决洪水演进的二维数值模拟,综合考虑底坡项、摩阻项和干湿界面对水流的影响,基于浅水二维水动力学理论建立了非结构有限体积模型.围绕传统底坡项处理技术应用于复杂地形时的不足,通过计算底坡项对物质通量和动量通量的影响,并进行相应的分解,提出了集成底坡项的近似Riemann求解器.分析并采用改进的隐式格式解决了摩阻项可能引起的刚性问题.通过求解干湿单元界面处"镜像湿单元"Riemann问题,结合变量重构技术,有效处理了动边界问题.算例研究结果表明,模型稳定健全,和谐性好,具有较好的推广应用价值.     

二维流场模拟的矩阵标识法

采用二分步法，从积分型方程出发，在有限控制体上建立守恒型差分格式，对二维浅水波方程进行求解。求解线性代数方程组采用矩阵标识法，提高了计算效率，特别适合于流域大尺度水流的模拟。计算网格采用无序编码方法，灵活方便。算例表明，本文方法能够模拟宽广湖泊一类大尺度的二维水流。     

混合有限分析法在桥墩综合壅水叠加模拟中的应用

将一种纯隐格式-混合有限分析法推广到实际工程应用中.采用该方法对曲线坐标系下的二维水流数学模型进行了离散,将常用的干湿节点判别标准与冻结法结合起来,有效提高了模拟计算的效率和稳定性.采用建立的二维水流数学模型和该计算方法,有效地模拟和重现了柳州市柳江河道上最近发生的洪水.计算和分析显示,柳州市柳江河道上当前已有桥梁由于间距太近,形成了显著的壅水叠加现象.采用经验公式计算了各单个桥梁的壅水高度,与数值模拟计算结果较为吻合.     

激波捕捉格式求解复杂床面浅水方程的源项处理

为了解决激波捕捉格式应用于浅水模拟所带来的源项,尤其是底坡项的处理这一难点问题,建立了一种边界条件给定简单的方法。采取构造单元内部流动变量分布的手段,避开了对底坡项的直接处理,综合了常用的Godunov型通量差分裂格式(flux difference splitting,FDS)和LeVeque波传播方法的思想。通过与"人工渗透法"相结合,该方法被应用于存在移动的干湿边界的情况。对两个有解析解和一个有实验观测数据的算例进行了模拟,模拟结果与解析解或观测数据吻合良好。该方法可有效处理复杂地形变化的二维浅水流动。     

激波捕捉格式求解复杂床面浅水方程的源项处理

为了解决激波捕捉格式应用于浅水模拟所带来的源项,尤其是底坡项的处理这一难点问题,建立了一种边界条件给定简单的方法。采取构造单元内部流动变量分布的手段,避开了对底坡项的直接处理,综合了常用的Godunov型通量差分裂格式(flux difference splitting,FDS)和LeVeque波传播方法的思想。通过与“人工渗透法”相结合,该方法被应用于存在移动的干湿边界的情况。对2个有解析解和1个有实验观测数据的算例进行了模拟,模拟结果与解析解或观测数据吻合良好。该方法可有效处理复杂地形变化的二维浅水流动。     

浅水方程Roe型格式的平衡性

采用类似对流项特征向量分解形式分裂底坡源项,证明了浅水方程中底坡源项和压力项的平衡性,有效避免了多变地形下伪流现象的产生.运用该模式对水下地形多变、岛屿星罗棋布的浙江省温岭龙门海域进行了潮流运动模拟,模拟计算结果与水文测验数据拟合程度较好.     

喷水对火箭发动机羽流红外特性的抑制作用研究

为研究喷水对火箭发动机发射时排气羽流红外辐射的抑制作用,建立了羽流气液两相流场和红外辐射传输的计算模型,通过在能量方程中引入辐射源项和水的汽化导致的能量源项,实现了辐射计算和两相流场计算的耦合求解.计算中采用M ixture多相流模型求解气液两相流流场,使用汽化模型模拟了水的汽化效应.使用离散坐标法求解辐射传输方程,得到了3个主要波段内羽流的红外强度分布,将计算结果与红外热图进行对比,验证了计算结果的可靠性.研究结果表明,喷水后辐射强度在喷水管之后的大范围区域内明显降低.     

沿岸回流区污染物对流扩散的数值模拟

为研究回流区污染物堆积的机理及规律,采用高阶三点紧致差分格式对涡量-流函数方程和污染物对流扩散方程进行高精度数值求解,得到了污染物堆积与回流区岸线角度、排放点位置之间的定量关系.该方法有效抑制了通常的数值方法中对流项差分离散造成数值不稳定的现象,且程序编制简洁,运行效率高。数值计算表明该法有效、可靠.研究结果对沿岸排污点布置、减少海域污染具有一定的现实指导意义,并具有重要的理论价值.     

低涌变电站溃坝洪水发展演进的研究

以东莞低涌变电站为例,讨论100 a一遇洪水时上游发生溃坝的洪水波演进的特性。针对电站所处挂影洲围四周河道环绕的特点,将整个溃坝过程分三阶段模拟。首先利用二维溃坝模型模拟得出溃口流量、洪水流场、溃坝波高及其传播时间等特征;再讨论溃坝波传播并淹没整个挂影洲围的过程;最后应用堰流公式等计算洪水逐渐抬高水位,直至与河道水位齐平过程的水位流量过程线。以此来探讨从堤坝溃决到结束的整个过程中不同阶段的水位、流速和流量变化规律。     

二维溃坝洪水波演进的数值模拟及动态显示

采用基于MacCormack预测—校正技术的隐式数值格式求解控制水流运动的二维浅水方程，建立了模拟大坝瞬间全溃或局部溃倒所致的洪水演进过程的数学模型；应用该模型对矩形明渠中缓、急流过渡的水面曲线进行了数值计算，并与理论解进行了比较；最后用该模型预测了矩形河道中大坝瞬间局部溃倒的洪水演进过程，并对模拟结果进行了定性分析。比较与分析结果表明，该模型对模拟溃坝洪水波很有效。     

基于Hydrology的山区1:1万DEM水系提取研究

利用重庆市万州区4幅比例尺为1∶1万,地面分辨率为5 m的DEM数据,根据地表径流模型原理,通过ArcGIS中的HydrologyTools模块进行D8算法提取流域水系,计算汇流累积量,并最终生成河网。结果表明:对1∶1万DEM进行水系提取,最小水道集水面积阈值设定为50 000个栅格较合理;对于山地地形,基于1∶1万DEM数据,利用ArcGIS Hydrology模块提取河网的方法,从提取的效率和结果的精度两方面看来都是切实可行的。     

非结构网格下两步压力校正算法的潮流模拟

针对非结构网格下的潮流数值计算,采用有限体积法离散基本方程,对流-扩散项离散采用幂率格式,交叉扩散项引入超松弛校正方法,水位校正方程应用Rhie-Chow动量插值思想和SIMPLEC类算法导出.采用两步压力校正法将交叉扩散项单独考虑,以提高模型对高度畸变网格的适应能力.计算结果表明,该处理方法可提高压力欠松弛系数,并能有效改善复杂区域潮流模拟的健壮性.通过对黄浦江感潮河段潮流的模拟,表明该模型的预测结果与实测资料吻合良好,模型对潮流的模拟结果是可靠的.     

有限分析法在潮流计算中的应用及问题探讨

应用有限分析法对二维潮流问题进行了研究,并用此法对长江口流场做了数值模拟计算,计算实例表明,有限分析法具有自动迎风性质,而且求解时,较易于获得稳定的收敛解,精度较高,结果表明,有限分析法可以用于计算流场,潮位的计算值与实际值吻合.