河口盐水入侵垂向二维数值计算

为描述潮汐河口盐水入侵特性而建立了垂向二维数学模型.数值计算格式采用帕坦卡和斯波尔丁提出的控制体积法,并以幂函数格式作为对流扩散项的离散格式.以长江口南槽实测资料作为计算验证,潮流,盐度和潮位的计算结果与实测值相比,吻合良好.由于模型所使用的数学方程组有一定的普遍意义,所以将方程中的盐度改为其它物质浓度,原则上也可应用于悬沙或污染物质输运扩散的垂向二维的数值模拟计算.     

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.     

连云港近岸海域污染物输移规律

为研究连云港近岸海域污染物随潮流运动的输移和浓度增量的变化规律,以连云港徐圩新区新设污水处理厂远期入海排污口尾水排放为研究案例,采用非稳态浅水方程和垂向平均的二维对流扩散方程建立连云港近岸海域水动力及水质耦合模型,应用有限体积法在无结构三角形网格上对方程离散求解,模型开边界所需大、小潮潮位过程由TPXO海潮模型生成.计...     

二维稳态对流扩散问题的直接边界元方法

讨论了基于指数变量变换的二维稳态对流扩散方程的直接边界元解法,把对流扩散方程转化为与之等价的修正Helmholtz方程,利用其基本解和Green公式得到相应的直接边界积分方程和解的积分表达式.然后,通过逆变换推导出对流扩散方程的直接边界积分方程和解的积分表达式,并采用常单元来离散边界积分方程,完成对流扩散方程的求解.最后,通过数值算例验证方法的有效性.     

刚体-流体耦合运动的浸入边界法研究

为避免复杂贴体网格的生成和动、静界面滑移网格技术插值带来的误差,提出采用浸入边界法模拟流体刚体的耦合运动.借助求解不可压缩N-S方程组的分步投影方法的思想,来求解基于浸入边界法的耦合系统方程.其中刚体边界离散点的作用力密度通过强制满足刚体边界的无滑移条件（位移和速度一致）导出,结合刚体定轴旋转的动量矩定理,采用Newmark时间积分方法,实现对刚体运动特性的预测.同时,通过δ光滑函数,将刚体边界离散点的作用力密度转换到流体的欧拉网格点上,实现对流场速度的修正.在空间离散上,对流项采用Quick迎风格式,扩散项采用中心差分格式,采用2阶显式Adams-Bashforth法离散时间项.以雷诺数为300的圆柱绕流为基准数值算例,验证数值计算结果的可靠性.      

对流项二次迎风插值格式在非结构化网格中的应用

在有限容积法的基础上发展了非结构化网格的对流项二次迎风插值（QUICK）格式．详细推导了扩散项采用格林函数法、对流项采用改进的QUICK格式的离散方程，对顶盖驱动流和圆柱绕流问题进行了计算，讨论了不同Re下计算的准确性和格式的收敛性，并与高精度结构化网格计算结果进行对比分析．结果表明，该格式的临界网格Peclet数为8／3左右，与中心差分相比较，该格式的计算精度与其相当，对流稳定性好，收敛速度高．同等条件下较结构化网格对复杂区域的模拟更接近实际测量结果，是一种对复杂区域计算有应用前景的对流格式．     

采用非结构网格的IDEAL算法实现及定压边界条件处理

在非结构网格系统中采用有限容积法对不可压N-S方程进行了离散,其中对流项采用二阶迎风格式,扩散项采用超松弛校正格式.通过修正的动量插值格式构造了压力方程,利用IDEAL算法处理压力与速度的耦合.利用Taylor展式导出了邻近边界内节点的压力计算公式,进而将边界静压引入到压力方程的迭代计算中,确保了边界信息向内部区域的有效传递.根据质量守恒定律分别导出了压力入口和出口边界的速度计算公式,结合伯努利定律给出了总压边界的处理方法.通过压力驱动管内层流、三通管层流以及浮力驱动流等几个典型算例对文中方法进行了考核,并将计算结果与文献中的基准解和实验值进行了对比.结果表明,不管是静压边界还是总压边界,采用该处理方法均能获得令人满意的结果,尤其对于大空间自然对流问题,可以在保证精度的前提下节省大量的存储空间和运算时间.     

QUICK格式在非结构化网格中的应用

在有限容积法的基础上发展了非结构化网格的对流项二次迎风插值（QUICK）格式．详细推导了扩散项采用格林函数法，对流项采用改进的QUICK格式离散方程，对项盖驱动流和圆柱绕流问题进行了计算，讨论了不同Re下计算的准确性和格式的收敛性，并与高精度结构化网格计算结果进行对比分析．结果表明，该格式的临界网格Peclet数为8／3左右，与中心差分相比较，该格式计算精度相当，对流稳定性好，收敛速度高．同等条件下较结构化网格对复杂区域的模拟更接近实际测量结果，是一种对复杂区域计算有应用前景的对流格式．     

同位网格有限体积法在变密度浆液流场计算中的应用

为研究自膨胀浆液的扩散机理,基于现代计算流体动力学理论,建立了一种变密度浆液二维流场计算方法.该方法采用结构化同位网格剖分计算区域,利用有限体积法离散浆液流动控制方程,借助动量插值技术构建压力修正方程;采用压力耦合方程组的半隐式算法(SIMPLE)迭代求解动量离散方程和压力、速度修正方程.通过变密度浆液在二维矩形狭槽中自由膨胀算例对该算法进行检验.结果表明,该方法求解正确,并具有较高的计算精度,为建立膨胀性高聚物注浆材料在二维裂隙中流动扩散仿真分析方法奠定了基础.     

二维潮流数值计算的一种显式模式

提出一种数值求解二维潮流的任意多边形单元显式计算模式，便于模拟计算具有复杂地形和边界条件的潮流场问题，由算例的计算表明，本方法具有稳定性好，计算精度高，程序编制简单等优点。     

辽东湾北部碱蓬群落及滩涂土壤盐分遥感反演模型

土壤盐分是评价土壤质量的重要指标，也是影响辽河口滨海湿地盐地碱蓬生长的主要环境因素之一，提出一种实时、准确、大尺度监测碱蓬群落及周围滩涂土壤盐分的算法十分必要.为了减少大气对模型的影响，该文利用地面高光谱数据模拟Landsat 8 OLI卫星反射率，采用基于交叉验证的逐步回归分析方法构建土壤盐分反演模型.结果表明：1) 碱蓬样本的土壤盐分明显低于裸滩，海南三区域土壤盐分在总体上低于鸳鸯沟和笔架岭区域，而植株高度和生物量普遍均高于鸳鸯沟和笔架岭区域，在一定程度上说明了土壤盐分对盐地碱蓬生长的影响；2) 模拟卫星反射率构建的多光谱指数与土壤盐分的相关性相较于单波段在整体上有所提高，其中植被指数NDVI和RVI与土壤盐分的相关性较高，相关系数达到了－0.689和－0.683；3) 利用基于交叉验证的逐步回归分析法构建土壤盐分反演模型，模型的自变量为RVI、SAVI和SI3，模型的建模集决定系数R2为0.684，均方根误差(RMSE)为3.45，验证集RMSE为1.88，相对分析误差(RPD)为2.28，表明模型的反演精度和反演能力较好；为了进一步验证模型的精度，对比分析基于逐步回归分析法筛选的指数因子构建的多元线性回归反演模型，发现交叉验证的逐步回归模型的R2、RMSE均优于多元线性回归反演模型，同时土壤盐分反演值和实测值散点图更接近1∶1线，为辽东湾北部碱蓬群落及裸滩土壤盐分因子的反演提供技术及数据支持.     

溢油污染对海洋生物资源损害的数值评估模式

为定量化评估溢油事故对海洋生态的影响程度,通过物理海洋学、海洋生物学和生态毒理学的交叉融合,建立了溢油污染对海洋生物资源损害的数值评估模式.在污染事故现场监测数据的基础上,通过潮流数值模型和溢油迁移扩散模型获得海上溢油污染的时空分布,利用生物暴露模型和急性毒性模型模拟不同类型海洋生物的活动方式以及暴露于油污染时的急性毒性效应,得到溢油污染对海洋生物资源的损害评估结果.将该数值评估方法应用于大连湾"千岛油1"号船溢油案例的环境影响和生态损害程度评估,溢油污染范围和生物资源损害程度的评估结果与海洋渔业部门实际调查估算结果吻合较好.     

裂缝性油藏改进多重子区域模型

针对现有多重子区域模型在计算裂缝单元间等效传导系数时存在的问题,采用超样本技术和体积平均法对其进行改进,改进后的模型可以有效考虑周围区域介质对裂缝单元间等效传导系数的影响,同时可以得到全张量形式的等效渗透率,在此基础上运用模拟有限差分方法构造考虑全张量形式等效渗透率的数值计算格式进行模型求解。针对不同裂缝性油藏,通过数值算例对改进模型和原始模型的准确性进行对比分析。结果表明:改进模型的计算精度比原始模型有较大提高,与离散裂缝模型参考结果基本一致,同时其计算效率高于离散裂缝模型。     

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。     

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．     

三维波动方程的数值频散关系及其叠前和叠后数值模拟

采用适于三维各向同性介质正演的有限差分格式 ,对声波方程进行了差分离散 ,导出了差分格式的数值频散关系。研究表明 ,三维正演的数值频散主要受差分精度及网格空间步长的影响 ,尤以后者影响更甚。在相同的条件下 ,剖分步长越大及差分精度越低 ,数值频散现象越明显。研究还表明 ,剖分网格有低通滤波作用 ,因而在正演时应使激发源的主要频率远离网格的截止频率 ,以保证精度。在此基础上对某地质模型进行了叠前和叠后数值模拟。计算结果表明 ,叠前模拟能够比较真实地反映地震波在地下介质中的传播规律 ,但计算量过大 ;叠后模拟时 ,爆炸界面法能较好地反映地下反射界面形状 ,但不宜计算较大的模型 ;平面波照射法可用于计算较大的模型 ,且能较好地反映波的动力学特征 ,但不能精确地反映界面形态     

基于四叉树网格近海海域波浪、潮流相互作用的数学模型

针对近海岸区域地形、水文、泥沙运动复杂的特点,本文建立了高效的近岸平面二维隐格式潮流、波浪联合作用的数值计算模式.水动力数值模型以非线性的浅水方程为基础,应用Quadtree非结构网格,变量布设采用同位网格,u,v及水位变量布设在同一个节点上,简化计算程序的代码.采用有限体积方法离散方程,应用SIMPLEC程式求解离散的控制方程,由Rhie-Chow的动量插值方法计算界面通量可以避免棋盘式波动.整合的方程组采用最小残差法（GMRES）求解,并利用预条件的不完全Lu分解方法加速其收敛性、提高计算效率.波浪模型以考虑波浪折射、绕射、衍射以及波浪破碎影响的多向不规则波的波作用量守恒方程为基础,计算的波浪幅射应力反应波浪对水体的驱动力.将本文的耦合模型应用到稳态丁坝绕流、理想海湾、法国的Gironde Estuary、波生沿岸流和美国的Grays Harbor算例中,数值模拟结果分别和实验值及测量结果进行比较.计算结果表明,本文建立的平面二维波浪、潮流耦合的数值模型能够准确、高效的模拟复杂计算域的潮流及波浪问题,该模型对近海工程的顺利开展以及海岸带环境保护等方面具有重要的应用价值.     

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.     

复杂海湾水质预测中油粒子模型的寻址优化法

近年来,随着海洋活动的持续增多,海上溢油事故频频发生,油粒子模型在溢油事故中的应用也越来越广泛。传统的油粒子模型对于粒子在网格中的定位多采用面积法,这虽然能准确定位每一个粒子,但对于粒子数较多的模型,模型运算时间会大大增加。针对这一缺陷,本文对传统油例子模型进行了修正,采用了一种新的追踪定位法,提出了栅格法技术,通过构建一套虚拟的、横纵精度可调整的规则网格系统,实现油粒子位置的快速判别,同时,为了避免在复杂海湾中该方法油粒子穿越结构物的情况,增设了一个判别指标,对油粒子进行限制。本文构建了一个具有多个防波堤的复杂海湾案例,通过虚拟栅格法在此案例中的应用证明了该方法的可行性与合理性。