滨海潮汐水域数值模拟的三角形网格生成技术

网格系统作为基础性的研究手段,被广泛应用于科学研究的许多领域。本文着重探讨在对潮汐水域水流流动和污染物迁移变化的数值模拟工作中,针对目标海域,通过合理的分区规划、网格点布置、三角形各顶点的搜索等相关步骤而系统、科学的生成平面二维三角形网格系统的实用技术。     

平潭竹屿湾潮流泥沙运动特征的数值模拟分析

基于非结构网格FVCOM模型构建平潭竹屿湾潮流泥沙计算模型,开展竹屿湾附近海域潮汐潮流、悬浮泥沙输运模拟计算,分析其潮流泥沙的运动特征。模型计算结果显示,海坛海峡内潮波为前进波,潮流与潮位变化同步,但竹屿湾内的潮波为驻波;海坛海峡内大潮、小潮期间垂线平均悬浮泥沙浓度差别较小;现状条件下海床的年最大冲刷强度约为10 cm·a-1。实测数据与模拟计算结果的对比研究表明,模型可以较好地模拟竹屿湾附近潮汐潮流和泥沙的运动特征;竹屿湾海床总体稳定,可能是周围工程建设和人工采砂导致竹屿湾海床局部发生冲淤。     

应用数字图象处理技术对潮汐流动中排放特性的研究

应用数字图象处理技术对潮汐环境中的污染物排放特性进行研究,通过实验室水槽模拟了潮流中的排放特性,揭示了憩流污染云团现象,提出排放近区的流动可分为三种状态,即憩流双回流状态,过渡不稳定状态及相对稳定状态,将数字图象处理技术应用于环境水力学领域,并进行流场和浓度场的测量,这一尝试的成功对沿海水域的水环境实验研究及以此为基础的数学模型研究具有十分重要的意义。     

电厂温排水余氯对水环境影响的数值模拟

以扬州第2发电厂三期工程温排水问题为例,利用二维水动力模型对温排水余氯受纳水域长江扬州段潮流场进行了模拟;以该数值模拟的潮流场作为余氯输运模拟的水动力条件,利用余氯二维对流-扩散模型预测了受纳水域余氯的质量浓度分布,并分析了这种分布对水环境造成的影响.结果表明:在不利水文条件下,温排水中余氯的质量浓度空间分布范围较小,较高质量浓度的余氯分布在排水口附近的区域;由于环境水体对余氯的稀释能力较强,温升带长度有限、宽度很小,温排水中余氯对鱼类的影响是间接和微小的,对长江水生珍稀动物的生态环境几乎没有影响.     

陆源污染物对海州湾环境影响研究

应用沿深平均二维模型模拟海州湾水域的潮流场，分析该水域的潮波运动规律，计算不同风条件下海州湾水域的Lagrange余流场，分析风时对余流的影响，以海州湾顶的临洪口为陆源污染源，用数值方法求解物质扩散方程，分析在不同风条件下湾内污染物平均浓度随的变化，在保证污染物排放总量不变的情况下，对不同排放方式下湾内污染物的平均浓度进行了比较。     

基于有符号距离场的矿山三维模型布尔运算

针对复杂形态的矿山三维模型构建,提出一种基于三角网格的有符号距离场的三维模型布尔运算算法.首先借助方向包围盒层次树快速计算三角形之间的交线,然后通过约束德洛内三角剖分对候选的三角形逐个进行拆分,分别计算三角网格模型的顶点、边和面的角度加权伪法矢,建立要运算的2个三角网格的有符号距离场,从而根据有符号距离场确定拆分后三角形单元与另一个模型的位置关系,最终根据布尔运算类型进行取舍得到表面模型的运算结果.该算法能有效的对三角网格表面模型实施布尔运算,适用于各种复杂的矿山三维模型.     

FVCOM模型在渤海湾潮流潮汐模拟中的应用

浅海是潮运动占优的海域,潮汐、潮流对物质输运和水交换有重要影响．采用非结构有限体积近岸海洋模型（FVCOM）模拟渤海湾的三维潮汐潮流分布和变化规律,非结构网格能真实地拟合岸线,刻画出渤海湾的复杂岸线,能够较好地计算出渤海湾的潮汐潮流的时空分布特点,与实测值吻合较好．模拟的M,分潮振幅的平均方差为7．33cm,迟角的平均方差为11．53°．在渤海湾,M2分潮的最大振幅为120cm,湾内的迟角差为70°;渤海湾湾中潮余流较弱,流速在0—0．6cm／s．渤海湾是潮流较强的区域,海区的最大可能潮流流速超过100cm／s．     

冬季苏北辐射沙洲水域悬沙分布及输运特征分析

为揭示苏北辐射沙洲水域泥沙分布及输运的特征,利用潮流及泥沙输运数学模型,给出了辐射沙洲水域的潮平均含沙量场和对应的水质点运动轨迹.分析表明:该水域含沙量呈现以条子泥附近水域为中心,呈辐射状向外围递减的趋势;潮汐通道是辐射沙洲内部水域与外部水域进行水沙交换的重要通道.     

基于三角形网格的无量纲最小二乘有限元法及其应用

利用最小二乘有限元法计算二维流体场需要采用四边形网格，而仅采用四边形单元剖分含有角环、圆角和尖角等复杂结构的电力装备二维仿真模型时往往出现网格畸变。为此，本文提出了一种基于三角形网格实现最小二乘有限元的方法，即在三角形剖分网格上再处理得到四边形网格，从而实现最小二乘有限元法计算流体场。为验证所提方法的有效性，论文分别对方腔模型和带有角环等复杂结构的变压器单分区模型进行了数值计算，并分别与规则四边形网格下的最小二乘有限元法和Fluent计算结果进行对比。对比结果表明本文所提出的网格处理方法可以实现含有复杂结构电力装备的二维流体场仿真。     

夏季波浪对钦州湾水交换能力的影响研究

基于无结构三角网格的FVCOM海洋模式,以K1、O1、P1、Q1、M2、S2、N2和K2这8个分潮调和常数为驱动,考虑钦江和茅岭江两条径流,建立了钦州湾海域的高分辨率三维水动力数值模型。通过与实测数据的对比,该模型可以较好地模拟钦州湾海域的水动力特征。在此基础上叠加浪流耦合模块和DYE-RELEASE模块,模拟了夏季波浪对钦州湾海域流场结构以及水交换能力的影响。结果表明:波浪对钦州湾海域流场的影响,涨急和落急潮流场的变化不显著,而涨憩尤其是落憩时,钦州湾的流速明显增大。钦州湾在潮汐径流作用下的半交换时间为14.3 d,在潮汐径流波浪作用下的半交换时间为4 d。内湾茅尾海的水体交换主要受制于潮汐和径流,而外湾钦州湾的水体交换受制于潮汐和波浪。     

基于半隐欧拉-拉格朗日法盐水入侵数学模型

建立了适合河口复杂边界的二维潮流盐度数学模型.其中,网格模块是通过多元最小二乘重构的无结构三角网格;潮流模块基于消除了稳定性条件限制的半隐的欧拉-拉格朗日法,并用干湿判断法实现动边界的处理;盐度输运模块采用有限体积法进行离散,并通过用周围单元平均浓度值重构界面浓度的方法得到与连续性离散方程相协调的二阶对流扩散离散方程.通过纯对流和纯扩散数值测试对模型进行了验证,结果表明模型能够较好地模拟盐度输运的对流扩散问题,且具有较高的精度.最后,将模型应用于长江口盐水入侵的模拟计算,计算结果表明:模型计算的潮位、流速和盐度过程与实测资料一致.     

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.     

龙凤头海滩修复工程与波流动力响应特性

基于MIKE 21软件建立平潭龙凤头海滩修复工程海域双重嵌套二维潮流和波浪耦合数学模型,并将验证后的模型运用到工程设计方案实施前后潮流场及波浪场的模拟,比较分析水动力的变化.研究结果表明:平潭海域潮汐类型属于正规半日潮,8月大潮潮差约为5m,潮汐强;海坛湾内潮流总体表现为往复流特征,湾口流速最大,湾内流速较小,湾顶流速最小;北端防波堤大大减少了南北水体交换,内侧落潮流调整为沿堤流;堤头处挑流作用明显,流速增加,形成明显的旋转流;南北端防波堤对其内侧一定范围海域有掩护作用,波高削减显著,受掩护岸线长度略大于防波堤长度;堤头处受波浪折射作用影响,波能辐聚,波高增大.工程后海滩中部岸段波高及流速削减不明显,建议增设离岸堤加强海滩保护.     

水工质微波等离子推力器喷管流场及推力性能研究

采用Delaunay方法生成三角形单元的非结构网格离散计算区域,利用格心有限体积法对水工质微波等离子推力器喷管流场和推力性能进行了数值模拟.揭示了水工质微波等离子推力器喷管的流动规律.研究结果表明:在喷管入口压强为0.35 MPa时,增加工质气体的总温,可以提高推力器的比冲,同时推力的变化很小.在收敛角和扩张角不变的情况下减小喷管喉径,能够略微提高推力器的比冲.而推力器腔体内压强变化很大.保持喷管喉径和出口直径不变,在喷管扩张半角从10°增大到40°的过程中,推力器的比冲和推力先增大后减小;扩张半角为17°时,推力器性能最佳.     

湄洲湾潮流和污染物输运的高精度非结构网格模拟

针对湄洲湾不规整岸边界和复杂的潮流变化等特征,模型采用高精度的二维非结构网格浅水流模型对湾内潮流水动力进行模拟。基本方程离散和有限体积法思想,并利用改进的QUICK格式提高对流项计算精度,在扩散通量估算上引入具有良好数值性能的超松弛校正方法。不合理的压力波由Rhie-Chow的动量插值方法加以抑制,水位校正方程结合SIMPLEC程式导出。通过对湄洲湾小潮的水动力模拟,结果表明,潮位、流速、流向的实测值和计算值吻合良好。另外,模型还对海湾内肖厝峰尾和鲤鱼尾两处主要污水排放口的COD排放进行了计算,模拟结果较好地反应了湄洲湾内污染物输运特征,为更好地进行近海水污染控制提供有力的手段。     

非结构网格海洋模式在洞头人工渔礁区选址中的应用

应用一种非结构网格海洋模式(FVCOM)建立了洞头列岛及其临近海域的水动力数值模式,水平方向三角网格的采用使模型对大陆海洋线以及岛礁边界的拟合达到了很高精度.经流速、流向和潮位验证后,精度良好的模型被用于人工渔礁区选址的研究.以大潮底层最大流速和大潮底层平均流速为主要判别指标,结合海域地形和水深分布,选定了底层最大流速小于0.6 m/s、平均流速小于0.4 m/s的海域为适宜人工渔礁建设的礁区范围.     

复杂通道内非结构网格的生成方法

通过对非结构网格剖分方法的研究,给出了在复杂通道内非结构网格生成过程中的几个重要步骤。采用源项控制的方法来控制计算区域内的网格尺度分布,并利用非均匀有理B样条进行边界的拟合及重新离散,以满足边界上的网格尺度信息。分别用Delaunay三角化方法和前沿推进法生成初始网格和内部网格,同时保证了几何边界的完整性和内部网格的质量及生成速度。引入了整层加点和局域网重组的方法,对前沿推进法进行了改进,并对具体的复杂几何通道进行了网格剖分,给出了剖分结果。结果表明,该方法可以在一定程度上减少网格的判断与重组时间,从而提高了非结构网格的生成效率。     

无结构网格二维潮流模型的开发及应用

基于无结构网格的半隐海洋环流模型——“类UnTrim (unstructured grid version of trim)模型”开发了一个二维潮流数学模型.模型在平面上采用无结构三角网格,并采用二维浅水方程作为控制方程.利用水槽试验对模型的潮流模拟和干湿判别进行了验证,验证结果显示模型是稳定可靠的.将模型用于长江口的水动力过程模拟,并利用实测水文资料对模型进行了率定和验证计算.结果表明,模拟结果与实际情况一致.     

多级三角形格栅加筋板的力学性能

为了研究碳纤维格栅结构的力学性能,设计一种多级格栅加筋板结构,并采用理论分析和有限元计算等方法对该结构的力学性能进行分析。将格栅结构等效为均质连续结构,推导了格栅结构的等效计算方法,计算多级格栅加筋结构的等效弹性模量及等效弯曲刚度。结果表明,多级三角形格栅加筋结构的存在将大大提高超轻质材料的抗屈曲能力;当截面面积相同时,三角形格栅的弯曲刚度比实体结构提高10%,表明多级格栅比普通格栅具有更高的屈曲荷载。     

含分布电源配电网多时段线性化二阶锥松弛算法研究

针对分布式电源接入配电网影响系统电压分布和潮流分析、造成系统电能质量下降的问题,建立系统优化模型,对系统电压、潮流进行分析与优化,提出含分布式电源的配电网多时段线性化二阶锥松弛优化算法。对分布式电源接入的配电网进行潮流分析,建立分布式配电网最优潮流优化模型;对分布式配电网潮流优化模型进行简化处理,针对潮流分析中非凸非线性,提出多时段二阶锥松弛优化算法;针对电容器组、有载调压变压器的非凸非线性问题,进行分段线性化处理。仿真结果表明,提出的算法能合理调度有载调压变压器、电容器组和分布电源的出力,有效降低网损,减小电网电压偏差。