云南中尺度数值预报模式中气压梯度力计算方法试验

在云南中尺度数值预报试验模式中,引入实际地形,设计使用静力扣除法,回插法,局地等温法,经典修正法以及模式中原来计算方案等５种方法计算气压梯度力,用以解决陡峭地形问题。数值试验结果对比以后发现,经典修正法比其他方法计算精度高,运行稳定,能够满足模式的预报要求,比模式原方案有显著的改进。     

浅水不规则波的无网格数值模拟

采用基于配点和径向基函数的无网格数值模拟方法,建立数值海洋工程水池,将源点布置在模拟波浪场之外,沿边界布置配点而不是划分网格;对深水不规则波经斜坡过渡后在均匀水深浅水域中传播的过程进行无网格数值模拟和波谱的迭代修正.不规则波的数值模拟结果显示,该方法形式简单、计算速度快、稳定性好.经物理水池的造波实验验证,波浪谱、波浪参数、波浪时历都与实验结果吻合良好,并具有浅水波特征,最终模拟得到的浅水不规则波令人满意.     

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.     

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.     

基于异构并行的山洪动力演进模型和模拟研究

为建立山区小流域降雨-山洪演进正演模拟和预报方法,构建了从降雨、植被截留、土体入渗、坡面汇流到山洪演进全过程物理模型．采用一阶迎风差分格式求解描述坡面汇流到径流过程的扩散波方程,并在凸地形点采用修正算法确保计算精度和求解简便性．基于CPU(中央处理器)+GPU(图像处理器)异构并行加速技术实现从降雨到山洪动力演进全过程快速模拟,计算效率相对CPU单核提升300倍左右．通过一维构造地形试验、V型槽实验和都江堰龙溪河真实小流域山洪过程分析,验证了当前计算模型和方法的有效性,为基于动力过程的山洪灾害实时预报研究提供参考．     

基于有限体积法的离散裂缝模型两相流动模拟

正确认识裂缝性油藏流体流动规律是其高效开发的基础,离散裂缝模型因其对裂缝予以显式降维处理,能够大大提高计算效率而逐渐成为当前研究的热点。有限体积法在控制体单元上具有明确的物理意义,能够严格保证局部质量守恒,适用于流场性质不连续的情况。基于Delaunay三角网的对偶网格构建有限体积控制单元,推导了离散裂缝模型油水两相流动控制方程的有限体积数值计算格式,实现了离散裂缝模型油水两相数值模拟,通过算例验证了该方法的正确性与高效性。研究表明:该方法能够严格保证局部质量守恒,计算过程中收敛性较好,适用于离散裂缝油藏的数值模拟,与单孔隙介质模型计算结果具有很好的一致性,计算效率提高2.5～3.0倍。     

过流阻水建筑物在二维平面水动力数值模拟中的处理方法

基于实际过流阻水建筑物的过流特性,利用内边界法、等效过流糙率修正法和等效过流地形修正法修正过流能力,以达到与真实过流特征等效的目的。通过应用于二维水动力数值水槽模型,比较分析3种方法在恒定流和非恒定流条件下的水位及流速计算效果。结果显示,内边界法和等效过流糙率修正法能如实反映过流阻水建筑物的过流和周围区域的流场特征,等效过流地形修正法因局部地形变化,模拟的流速和水位发生突变,误差相对较大。     

基于微平面模型和正则化的脆性岩石损伤破裂模拟方法

为解决有限元计算在模拟脆性岩石损伤过程方面的网格依赖性问题,本文基于微平面模型和正则化方法建立了改进的微平面损伤模型,将单轴压缩条件下的岩石实验结果与数值模型进行了对比.引入不同非均质系数对三点弯曲岩石试样的损伤发展进行模拟,结果表明非均质系数越高损伤区域越集中.此外,通过引入高阶梯度正则化方法对不同特征长度的三点弯曲实验进行数值模拟.特征长度为1mm时,在不同网格尺寸下的正则化微平面模型的损伤演化结果基本相同,而没有采用正则化方法的微平面损伤模型在不同网格尺寸下出现明显的网格依赖性.最后,通过对比普通模型和正则化模型的载荷-位移曲线,发现网格密度对采用高阶梯度正则化后的微平面损伤模型损伤演化影响较低.     

基于网格数值耗散修正的圆湍射流模型

基于民用机舱内个性通风口,以圆湍射流作为研究对象,以标准κ-ε湍流模型较精细数值模拟与实验对比结果为出发点,通过对粗网格下数值结果的分析,针对网格尺度增大导致计算中数值耗散相应增大、射流速度沿轴向和径向衰减过快问题,从湍流耗散率方程出发,对影响湍流耗散的生成项和耗散项进行修正,平衡因网格尺度产生流动衰减过快的因素,进而提出了耗散率修正的κ-ε湍流模型.采用该修正模型验证了不同雷诺数和非等温条件下射流的适用性.应用修正的湍流模型可以避免机舱内大尺度空间流动对网格的苛刻要求,明显减少网格总数,同时达到对舱内复杂结构和边界条件下流场特征的正确模拟.     

油水两相渗流压降数值试井模型的建立

数值试井问题不同于常规油藏数值模拟问题。介绍了数值试井模型中采用的非结构网格技术 ,给出了在非结构网格下油水两相流动控制方程的离散形式 ,而后耦合了井筒存储和表皮系数公式 ,得到了压力降落数值试井问题的产量模型。将压力法与数值试井模型进行了对比校验 ,发现随油井的生产 ,压力导数曲线呈上翘趋势。通过计算结果对比 ,对原压力法提出的无量纲方法进行了修正。修正后的双对数曲线均可与同参数的单相流双对数曲线重合 ,边界反应也可以从两相流的压降试井曲线中获得。     

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。     

基于水气两相流的水布垭电站泄洪雾化有限元分析

泄洪雾化实际上是水气两相流体混合运动的过程。笔者从描述流体运动的质量守恒以及动量守恒方程出发,建立描述泄洪雾化的数学模型,采用有限元法求解模型。求解过程中采取了相应的非线性项求解策略,解决了求解过程中的数值收敛性与稳定性问题。通过与传统的方腔驱动流动算例进行对比,验证了模型的正确性。根据水布垭电站溢洪道及河谷地形地貌建立了三维有限元计算网格,并对其泄洪过程进行了数值模拟,通过与泄洪实测数据对比发现,该数值方法对泄洪雾化过程中的风场、雨场具有较强的预测能力。     

非结构型浅水方程数值模式的建立及应用

用非结构三角形同位网格剖分计算区域、布置计算变量,用有限体积法离散方程,并采用推进线边界法处理动边界问题,从而建立了一种新的浅水方程数值模式.京唐港和三沙湾海域潮流的率定、验证结果表明,该模式不仅物理意义明确,数值方法简单,全域内满足水流质量和动量的守恒性,而且能更好地模拟海湾、河口复杂地形下的水流运动,反映水流漫滩和露滩等过程.     

计算单元边长对分布式流域水文模型模拟结果的影响

具有物理基础的分布式流域水文模型通常采用DEM栅格作为计算单元,对地形信息具有均化作用,使得提取的坡度为非真值,且不同尺度栅格对应的该非真值差别明显,导致基于不同计算单元边长分布式流域水文模型的模拟结果具有显著差异。为了解决不同分辨率DEM模型对于模拟结果的影响,提出了一种栅格尺度与提取的流域坡度之间关系的归一化表示方法及对应的坡度矫正方法,该矫正方法中引入了可用于模型流速计算公式的坡度矫正系数。研究结果表明,计算单元边长对模拟结果的影响规律与对提取的流域坡度的影响规律完全一致,且提出的方法可以有效消除栅格均化作用对分布式流域水文模型模拟结果的影响。     

粗榆金矿地下开采覆岩运移规律数值模拟

针对粗榆金矿急倾斜极薄矿体下行充填开采过程中岩移规律开展数值模拟研究.通过现场节理调查确定节理产状与间距，利用Hoek-Brown强度准则确定数值计算参数，借助神经网络获得数值计算边界条件，结合三种不同数值计算方法开展计算分析.研究表明，矿体上盘岩层沉降明显，矿体覆岩沉降变形区域呈筒形陷落；FLAC3D和3DEC计算结果显示，粗榆金矿地表不存在沉降区域；随机介质计算结果显示，二号竖井、新建的选矿厂以及职工宿舍浴池均在岩移带之外；相对于FLAC3D，3DEC计算方法，随机介质方法更适合对急倾斜极薄矿体开采导致的岩层运移进行模拟研究.     

缓坡方程计算分辨率选取的数值研究

自适应曲线网格技术是近年来国际上近岸海洋计算中采用较多的先进技术,而如何减少计算量一直是缓坡方程的一个研究热点,如将自适应曲线网格技术引入缓坡方程,则既提高局部海域分辨率又减少计算量,为了在缓坡方程计算模型中很好地引入自适应曲线网格技术作理论准备,绎缓坡方程计算分辨率的迭取问题作较深入的探讨,首先建立一个Ebersol型缓坡方程数值模型,然后设计了一组网格分辨率对计算结果影响的数值实验,讨论分辨率的取值范围,并且对缓坡方程大网格计算的可行性作了初步的理论分析,最后得出结论,若仅考虑地形的影响Ebersol型缓坡方程计算分辨率的选取主要决定于地形,即网络大小可突破波浪波长限制。     

飞机机翼积冰的数值模拟研究

针对机翼结冰问题,提出了一种翼型结冰的数值模拟方法。介绍了适用于本方法的翼型网格划分及流场求解方法;提出了一种适用于CFD的水滴收集系数计算方法;利用Fluent软件的离散项模型(DPM)及用户自定义函数功能(UDF),计算求解了翼型表面的局部水滴收集系数;介绍了积冰过程中的质量守恒和能量守恒过程;基于积冰垂直生长假设,介绍了积冰生长模型;最后利用本文提出的方法预测了翼型的结冰情况。将用本文提出的方法计算得到的三种典型积冰类型同国外冰风洞实验结果做了对比,证明了本文方法的正确性和准确性。     

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.     

基于混合PEBI网格的复杂井数值模拟应用研究

针对笛卡儿正交网格在描述复杂井型以及复杂油藏边界时存在的局限性，提出了综合运用径向网格、笛卡儿网格和六边形PEBI网格的混合PEBI网格计算方法。该方法中，在直井区域采用径向网格，可实现网格体积由小到大的变化；在复杂井区域采用笛卡儿网格，可充分把握井筒附近的流动状态；在油藏区域采用六边形PEBI网格，可，更好地逼近复杂油藏边界和断层的形态。应用结果表明，混合PEBI网格具有高度的灵活性，与有限差分五点格式相比，有效降低了网格取向效应，能够满足精细油藏数值模拟的要求。     

高大空间气流组织的研究

分析采用模型试验和数值计算的方法对高大空间气流组织的两类典型问题进行了研究。