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.     

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。     

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。     

具有实际地形的溃堤水流数值模拟

为了减小因溃堤洪水而造成的人员生命和财产损失,建立了能够模拟具有实际地形的溃堤水流的数学模型。该模型基于非结构网格的有限体积法,采用HLL格式的近似R iem ann解计算界面通量,并利用TVD-MU SCL格式和H ancock格式将计算精度升高到二阶。对底坡源项采用分解法处理,对摩阻项采用了半隐式离散的方法来增加计算的稳定性。通过溃坝算例和混合流算例,验证了该方法的稳定性、和谐性和健全性。该模型已应用于哈尔滨市松北区溃堤水流的模拟。结果表明,该模型能较好地模拟具有实际地形的溃堤水流运动。     

基于ENO格式的一维溃坝水流数值模拟

将ENO格式和Runge-Kutta时间离散的思想应用于一维Saint-Venant方程组的求解,数值模拟溃坝洪水,得出了水位和流速的沿程分布.经与理论解比较可知,数值解在间断渡附近没有出现数值振荡,水位和流速大小与理论解均吻合较好,表明采用ENO格式所建立的高分辨率模型能够很好地模拟溃坝波的演进过程.     

非局部偏微分方程去噪模型

针对传统扩散模型中的边界模糊问题, 提出一种基于非局部信息的非线性偏微分方程去噪模型. 在新模型中引入非局部梯度以探测图像边界, 在区域内部和边界处以不同的速度进行扩散, 从而达到去噪和边界保持的效果. 数值计算采用单边格式计算非局部梯度, 以防止离散情形下边界信息的损失. 理论分析和数值实验结果表明了此模型的有效性.     

浅水方程大规模并行计算模拟城市洪水演进

基于有限体积法建立求解溃坝水流运动的数学模型,利用Riemann问题求解Godunov格式计算通量,通过空间分块划分的大规模并行计算来加速运算,实现了城市洪水演进的精细数值模拟.数值模拟结果表明,建筑物在溃坝波波前到达初期所受水流荷载最大;受上游建筑物消波、蔽护作用,溃口下游建筑物所受荷载随至溃口的距离的增大而减小,建筑物的存在使得溃坝波在城区传播速度减慢.并行测试表明,缓冲模式比非缓冲模式更适用于浅水方程大规模并行求解.目前大规模并行计算能够实现对面积达400,km2的城区洪水演进进行实时仿真模拟,为滨河、滨海城市在受到溃坝、海啸等洪水威胁时的快速决策和应急疏散提供科学依据.     

基于AOS方法的非线性总变差去噪模型

利用加性算子分裂(AOS)方法对非线性总变差图像去噪 模型（ROF模型）进行数值离散, 该数值格式为半隐格式, 克服了显格式对时间步长的限制,为无条件稳定的, 可以实现并行计算, 加快了收敛速度. 实验结果表明, 该方法比显格式具有更大的优越性.     

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.     

二维溃坝的数值模拟研究

为了研究溃坝问题中流体的运动和自由液面的演变,针对简化的块状水坍塌进行了数值模拟。其中,流体控制方程通过有限体积法进行离散,方程的对流项和扩散项分别采用了一阶迎风格式和中心差分格式;对压力与速度耦合的离散方程以IDEAL算法进行求解;以流体体积分数法和PLIC方法进行自由液面捕捉和重构;对两相流问题中的表面张力通过连续表面力(CSF)模型进行转化。基于上,分别对有限空间内的二维溃坝和带障碍物溃坝问题进行了数值模拟,对不同时刻的自由液面进行了捕捉并与实验结果进行了对比,证明了所采用方法的精确性。     

一维非定常流动的FVM—TVD方法与混合式脉冲转换器系统

介绍了一种研究进排气系统一维非定常流动的FVM－TVD（总残差减少的有限体积法）方法：控制方程的离散采用有限体积法,截面数值能量采用考虑截面变化的二阶TVD格式,用该方法对混合式脉冲转换器（MIXPC）系统气管内的压力波进行了模拟,并与实测值作了对比,两者吻合较好。     

The Urban Unsteady and Non-pressure Rain Pipe Flow Routing by the Dynamical-Wave Method

<正>The dynamical-wave routing model of the urban unsteady and non-pressure rain pipe flow was established by conservation of mass,momentum and energy,and it was solved by applying the four point implicit difference method and the pursuit method.It was obtained from the experiment checking and comparative analysis that the dynamical-wave routing model can reflect influence like attenuate and backwater when flood peak propagate in pipeline with high calculation precision and vast application scope,and it can be applied in routing of urban rain pipe flow of different slopes and inflow conditions.The routing model supplies a scientific foundation for the town rainfall piping design or checking,disaster administration of storm runoff,and so on.     

基于陆气耦合的城市雨洪模拟技术研究进展

对汇流时间短、暴雨时程集中且短期内降水强度大的城市区域而言,暴雨洪涝灾害预见期的延长可以为制定应急预案和实施防汛抢险争取更多的响应时间,降低城市暴雨洪涝事件带来的潜在危害．延长城市暴雨洪涝灾害预见期的有效措施之一,是采用基于数值天气预报技术和多源/高分辨率数据资料的陆气耦合城市雨洪模拟技术进行雨洪过程模拟和灾害预报．本文归纳总结了城市雨洪过程模拟和预报中常用的5类降水输入数据及各类降水数据的适用条件;总结了数值天气预报技术在区域强降水模拟方面的研究进展及存在的问题;梳理了城市雨洪过程模拟中采用的常见方法及优缺点;总结了数值降水预报技术应用于城市雨洪过程模拟和预报的最新研究进展．在此基础上,提出了基于陆气耦合的城市雨洪模拟技术需要解决的关键问题和应对之策,指出在当前城市雨洪模拟技术较为成熟的情况下,减小数值降水预报结果的不确定性和提高城市雨洪过程模拟的精细化程度是提高城市暴雨洪涝灾害预报准确性的主要手段．      

河道型水库动库容在实时洪水调度中的影响

采用水动力学方法建立河道型水库库区洪水演进模型,解决实时洪水调度中的动库容问题．引入动态边界条件的概念,将计算过程分为模拟计算阶段与实时预报调度阶段,在实时洪水调度过程中根据计算的不同阶段采用相应的边界条件．利用河道型水库的实际库容(动库容)按静库容曲线反推求得水库的代表水位,根据代表水位准确地计算出水库的动库容．最后以水口水库为例,分析了水库动库容对实时洪水调度的影响．     

地层蓄热效应对输气管道数值模拟精度的影响

采用一维非等温天然气流动模型对高压天然气输送管线中的快瞬变流动进行数值模拟,研究地层蓄热效应对高压天然气快瞬变管流数值模拟精度的影响.从工程实际角度对质量、动量和能量守恒方程的基本变量进行等价变换,建立天然气管流与外界地层之间一维轴对称的非稳态传热模型,以BWRS状态方程为基础,采用特征线法对天然气管流的快瞬变过程数学...     

二维非定常有涡流动的数值模拟方法

为有效地模拟二维有分离现象的粘性流动,发展了求解涡量流函数方程的数值方法。对涡量输运方程的时间项运用四阶Runge-Kutta法离散,从而将方程分解为4个计算步分别求解。在每一计算步对方程进行Steger-Warming近似因式分解,从而使涡量的计算在空间的两个方向上分别进行。对流项采用Chakravaythy-Oscher总变差减少(TVD)格式离散。流函数的Poisson方程运用Tschebyscheff SLOR方法交替方向迭代求解。运用该方法对突然起动圆柱和高雷诺数时弯曲薄翼的非定常有涡流动进行了数值模拟,并将计算结果与其它方法的计算结果和试验结果进行了对比,结果表明本方法具有精度高、数值稳定性好和计算效率高的优点。     

河道汇流演算方法对比分析与研究

分别采用分段马斯京根法、反映河道断面形状和水力特性的变动参数Muskingum-Cunge(MC)演算法和Muskingum-Cunge-Todini(MCT)可变参数法对沅水流域沅陵站—王家河站河段进行河道汇流演算,探讨了具有分布式参数的演算方法在实际河道的应用效果。结果表明,分段马斯京根法、MC演算法、MCT可变参数法均较好地模拟出洪水在河道的推移与坦化,模拟精度较高,且MC演算法和MCT可变参数法的确定性系数相对分段马斯京根法精度更高且更为稳定;MC演算法和MCT可变参数法对分段马斯京根法参数特性进行了较好的改进,并且MCT可变参数法解决了MC演算法蓄量和稳态不一致的问题。总体上看,3种方法对于洪水预报具有较强的适应性和可靠性,为实时洪水预报提供了新方法。     

城市二维内涝模型的GPU并行方法

针对二维水动力模型应用于城市内涝模拟时,在大尺度区域或精细分辨率情形下运行耗时过长的问题,通过耦合SWMM模型和LISFLOOD-FP模型构建城市内涝模型,采用GPU的并行计算技术加速城市二维内涝模型。以盐城响水县城区的内涝模拟为例,对并行模型的效率进行分析,结果表明,基于GPU的并行计算技术可以显著提升模型运行效率,在5 m分辨率下能够8 min内模拟12 h的内涝事件,可用于突发内涝事件下的快速响应;并行模型的加速效果在更高的空间分辨率下表现更明显,在2 m分辨率下取得最高10.86倍的加速比;要最大化发挥GPU计算效率,首先需要单步长有较大的计算量,其次是要尽量减少与GPU的数据频繁传输导致的额外开销。     

基于洪水问题的洞庭湖湿地区域划分

为了充分发挥三峡水库对洞庭湖防洪的有利作用,缓解其对湖区湿地水文条件的影响,采用水文模型对城陵矶河段的洪水进行情景模拟,并分析了3口洪道的分流现状以及三峡水库运用后荆江防洪的泄流要求.结果表明,进一步提高洞庭湖的蓄洪功能、保护3口洪道的分流能力,仍是实现长江中游防洪安全的必要条件.由此,结合湖区城镇、产业分布与自然地理条件,按"人类活动集中区—扩大蓄洪区—蓄洪区—自然湿地"的梯级层次提出了划分洞庭湖湿地区域的框架.     

一种无粘不可压缩火焰面间断的界面捕捉方法

为了精确考察无粘不可压缩火焰面间断的界面运动,提出了模拟无粘不可压缩火焰面间断的GFM方法,尝试把Level Set方法,改进的Ghost技术应用到火焰间断面的求解中.使用SMAC方法求解Navier-Stokes方程,应用Ghost技术的Level Set方法捕捉运动界面,采用五阶精度的WENO格式,时间离散采用TVD Runge-Kutta格式,完成了不可压缩无粘条件下的一维和二维火焰界面合并问题的数值模拟,计算结果肯定了采用Ghost技术的Level Set方法捕捉由于化学反应产生强间断的运动界面的合理性.在处理间断问题时,Level Set方法不需要进行复杂的计算公式推导,只需对间断面附近的区域进行简单处理,节约了计算时间和内存空间.同时,程序的编制过程体现了Level Set方法无需进行复杂的界面重构,易于编程的优越性.