C-D无结构网格上的三维自由水面非静水模型:Ⅰ-算法

为能准确地模拟垂向运动尺度较大的水流运动，本文基于压力分裂模式和半隐方法提出了C-D无结构、z坐标网格上的非静水压力模型的构造方法，并详细论述了模型的求解过程。模型先在忽略动水压强项的隐式部分的条件下求解控制方程，获得比较接近的初始解；然后，再考虑动水压强项的隐式部分并求解一个关于它的三维Poisson方程，因此计算容易收敛。本文模型与传统的C网格上的非静水模型相比，增加了对水平切向动量方程的求解，消除了因C网格的简化处理所带来的精度损失。控制方程用有限体积—有限差分法离散，自由水面用水位函数法处理。对水位η和动水压强q分别采用不同的隐式因子以兼顾各自稳定和精度的要求。压力分裂模式、θ半隐方法和欧拉—拉格朗日方法（ELM）等的联合使用使得本文模型具有简单、稳定、高效的特点。     

基于非结构化网格上的三维微幅自由表面流动非静压数值模型

建立了基于非结构化网格求解三维微幅自由表面流动非静压数值模型。一种有限差分法和有限体积法相结合的方法被用来在非结构化网格上离散控制方程。模型中采用分步法,以使压力项分解为静水压力项和动水压力项来单独处理。在每一时间步,得到关于水位和由压力泊松方程得到的动水压力的稀疏的线性方程组。模型是质量守恒的和对于重力波速、风应力、底摩阻、垂向黏性无条件稳定的。通过三个非恒定微幅自由表面流动算例的数值解和解析解的比较,验证了本文所建立的模型能够准确有效的预测三维微幅自由表面流动。     

CD无结构网格上的三维自由水面非静水压力流动模型Ⅱ：验证

对作者建立的CD无结构、z坐标网格上的非静水压力流动模型中的若干技术细节问题进行了进一步的阐述。提出一种改进的ELM(EulerianLagangian Method)方法求解对流项;紊流模型采用GLS(Generic Length Scale)模型,并针对急流的模拟提出一种给自由水面计算添加人工耗散以增强其稳定性的方法。通过微幅波、弯道环流、丁坝绕流3个典型算例对模型进行了基准测试,计算结果与解析解或试验资料吻合良好,表明本文模型具有能准确模拟非静水压力分布的流动和环流等的能力和良好的人工边界适应性。     

基于非结构化网格上的三维微幅表面流动非静压数值模型

建立了基于非结构化网格求解三维微幅自由表面流动非静压数值模型.一种有限差分法和有限体积法相结合的方法被用来在非结构化网格上离散控制方程.模型中采用分步法,以使压力项分解为静水压力项和动水压力项来单独处理.在每一时间步,得到关于水位和由压力泊松方程得到的动水压力的稀疏的线性方程组.模型是质量守恒的和对于重力波速、风应力、底摩阻、垂向黏性无条件稳定的.通过三个非恒定微幅自由表面流动算例的数值解和解析解的比较,验证了本文所建立的模型能够准确有效的预测三维微幅自由表面流动.     

C-D无结构网格上的三维自由水面非静水模型Ⅱ-验证

首先对文章Ⅰ建立的C-D无结构、z坐标网格上的非静水模型中的若干技术细节问题进行了进一步的阐述，提出一种改进的ELM方法，对紊流模型的构造方式进行了比较分析，并针对急流模拟提出一种给自由水面计算添加人工耗散以增强其稳定性的方法。借助微幅波、弯道环流、丁坝绕流3个典型算例对模型进行了基准测试，计算结果与解析解或实验资料吻合良好，表明本文模型具有能准确模拟非静水流动、环流的能力和良好的人工边界适应性；另外，利用本文提出的稳定自由水面计算的方法成功模拟了急流爬倒坡问题，最大Courant数可达3。验证表明本文模型具有稳定、高效和精度较高的特点。     

基于非结构网格的长江口二维三维嵌套潮流数值模拟

三维数学模型多应用于局部水域,无法模拟模型周边的大范围流场.为解决此问题,基于非结构网格有限体积法,建立了长江口二维三维潮流嵌套数学模型.模型嵌套边界采用近似处理方法,假设嵌套边界处网格单元分层水平流速服从多项式分布,该处理方法嵌套边界处的三维计算存在一定误差.将模型应用于长江口大范围水域潮流模拟计算.结果表明,潮位及二维三维潮流验证良好,计算精度满足规范要求,这说明该方法能够模拟大范围水域的二维及三维潮流运动.     

计算流体力学三维非结构网格可视化的高效算法研究

针对在流体力学数值模拟的后处理可视化发展中常见的三维非结构化网格的显示问题,提出了按节点进行循环搜索的新算法,与传统算法比较大大提高了对外边界搜索的效率,并结合自行开发的基于OpenGL的流体力学可视化软件,实现了三维计算结果的快速显示。     

桥渡对河道水流影响的二维无结构网格模型

采用有限体积法建立平面二维水流运动的无结构网格数学模型,模型采用Roe格式的近似Riemann解计算界面通量和特征分解法处理底坡源项.通过无结构网格对桥墩形状进行精细拟合克服了局部糙率修正、局部地形修正等方法的困难.为研究桥墩、桥形等对水位、局部流速等建桥前后的变化提供了新的计算模式.最后,应用模型对河段上的圆形墩和圆端矩形墩壅水进行了模拟,结果表明模型能够较好的模拟建桥前后桥墩附近的水流变化.     

利用非结构化网格三维模型探讨桥墩 周围流动现象

本文简要介绍了一种基于非结构化网格的三维水动力模型，模型采用有限体积法的思想，考 虑水流垂直方向流速，建立三维水动力控制方程。引用通量差分分裂(Flux Difference Splitting)算法对 控制方程进行了数值求解。最后基于该模型建立了日本川上河上的包含两个桥墩河段的三维水动力模 型。通过模拟计算，对两个桥墩周围的流动状态进行了分析。结果表明，该模型能够体现复杂情况下 桥墩周围的流动现象。     

利用非结构化网格三维模型探讨桥墩周围流动现象

本文简要介绍了一种基于非结构化网格的三维水动力模型,模型采用有限体积法的思想,考虑水流垂直方向流速,建立三维水动力控制方程。引用通量差分分裂(FluxDifferenceSplitting)算法对控制方程进行了数值求解。最后基于该模型建立了日本川上河上的包含两个桥墩河段的三维水动力模型。通过模拟计算,对两个桥墩周围的流动状态进行了分析。结果表明,该模型能够体现复杂情况下桥墩周围的流动现象。     

非结构网格FVM模型及崖门水道三维模拟研究

模型采用二维三角形网格、三维四面体网格的非结构网格形式,利用有限体积法离散控制体积内积分后的控制方程.通过求解沿水深积分方程作为外模式计算水位,垂向采用坐标系简化表面和底部边界条件,求解三维浅水运动控制方程,计算流速垂向分布.将模型用于崖门水道三维潮流场的计算,利用实测资料对计算结果进行了验证,并对该潮汐河口水动力流场分布及控制因素进行了分析探讨.     

基于非结构网格的非恒定浅水二维有限体积数学模型研究

建立了基于非结构三角网格系统的非恒定浅水二维水流数学模型.基本控制方程采用浅水二维水流方程;采用能够有效捕捉激波的HLLC近似黎曼算子求解界面通量,并对界面变量进行数据重构,模型具有二阶精度:将地形高程定义在三角单元节点上,使得单元间地形连续变化,结合处理底坡的DFB(mvergence form for bed slope source term)方法,保证了模型的和谐性,使其能够有效地模拟不规则地形条件上干湿边界变化过程中的水流过程;采用了隐式方法处理阻力项,从而保证了模型的稳定性.最后,通过四个经典算例对模型进行了系统地检验.结果表明:此模型具有很好的和谐性和稳定性,能够有效、准确地模拟复杂地形情况下水流运动,显示了广阔的应用前景.     

港珠澳大桥人工岛无结构三角形网格数学模型研究

港珠澳大桥是横跨珠江口伶仃洋水域特大型桥梁通道工程,跨水域长度约35 km.工程采用桥隧组合方案,结构建筑物众多,有口岸人工岛、隧道人工岛及几百个桥墩,结构形状复杂,工程附近流场模拟困难.针对港珠澳大桥口岸人工岛与隧道人工岛,采用无结构的三角形网格,建立潮流数学模型进行专题模拟,较好地反映出岛体结构附近潮流运动特点与规律.     

模拟波浪运动的三维自由表面流动数值模型

基于Navier-Stokes方程建立了三维自由表面流动数值模型来模拟波浪运动.模型中Navier-Stokes方程的求解采用两步投影法,计算域的空间离散采用交错网格.采用满足自由表面运动学边界条件的水位控制方程来计算自由表面.通过数值结果与解析解的比较,验证了本文建立的三维自由表面流动数学模型可以精确的模拟线性色散波以及孤立波沿平底坡和非平底坡的传播.     

DEASM浅水流模型对热力环流的非结构网格模拟

为提高热电厂的取水安全,缓解废热排放造成的环境污染,从全场精细数值模拟的角度,推导了水深平均意义下的通用显格式代数应力模型(DEASM),数值离散方法采用SIMPLE程式下的非结构网格算法,并利用改进的QUICK格式来提高对流项模拟精度。该模型成功实现了对试验下的复杂热力浅水环流的精细模拟,结果表明模型模拟的热力浅水环流的断面流速分布、局部环流流线形态、环心位置、流线分离点以及温度场分布均与实测值吻合良好,初步表明该模型能够为统一描述浅水热力环流近区和远区问题提供一种更精细而通用的全场模式。     

二维浅水方程的非结构网格数值解

用Lax-W endroff格式和Lax-Friedrichs格式交替使用形成的复合型格式,对二维浅水方程在非结构网格上进行离散,利用不同格式之间数值耗散、数值色散而相互补偿和抵消的复合作用,消除数值计算中出现的非物理振荡和过度光滑现象.利用本文算法对斜水跃问题、二维矩形部分溃坝模型和二维圆形全溃模型模拟的结果表明,该算法具有较高的涌波捕捉能力,适合处理边界面复杂的浅水流动问题.     

基于非结构网格的洪水演进过程中GPU加速数值模型研究

为降低洪水风险并有效地进行洪水管理,研究洪水演进及淹没过程显得尤为重要。该文建立了一套基于非结构网格的二维水动力数值模型,采用三角形网格剖分计算域以适应不规则地形边界,并利用图形处理器(GPU)加速技术以大幅提高模型计算效率,可快速有效地模拟大尺度复杂地形条件下的洪水演进过程,为防洪减灾决策提供强有力的数据支撑。通过三个经典算例研究表明:该模型具有较高的准确性、稳定性和适用性。并将模型应用于Malpasset溃坝后的洪水演进过程,发现计算结果与实测数据吻合较好,计算效率较高,仅用时52 s就完成了溃坝后3 600 s内水动力过程的模拟计算,表明模型能高效准确地模拟大范围高分辨率地形上的洪水演进过程,具有较高的应用价值。     

基于MATLAB的非结构网格生成器和浅水问题的数值模拟

非结构三角网格能够很好地适应复杂及不规则边界.本文就此引入了一种操作简单、快捷且高效的非结构三角形网格生成器.有着开发快速,设计简化等优点的MATLAB已成为首选的一种技术性计算机编程语言.借助于MATLAB中的COMSOL Multiphysics软件包,该网格生成器在MATLAB环境下得以很好地实现.利用非结构网格下的有限体积法对几个经典的水动力学问题进行模拟,进一步验证了该网格生成器的高效与灵活.     

基于非结构网格的螺旋桨周围流场大涡模拟

采用基于非结构网格的有限体积法对螺旋桨的水动力性能和周围黏性流场进行了大涡模拟,在加权最小二乘法重构流动物理量梯度的基础上,分别以三阶精度的UMUSCL(Unstructured Monotonic Upstream-centered Schemes for Conversation Law)插值方法和方向导数法离散控制方程的对流项和亚格子应力项,计算得到的螺旋桨的定常水动力性能、叶片表面压力和尾流场速度与试验吻合很好.     

基于非结构化网格建立求解具有复杂地形的浅水流动的数值模型

采用有限体积法,基于非结构化网格上建立求解具有复杂地形的浅水流动数值模型。采用Roe格式的计算界面通量,引入一种单元界面处近似水深的方法来处理地形变化源项,并证明了在非结构化网上满足和谐性条件,此外,此方法还能有效的应用到现存的激波捕捉方法,如HLL、HLLC和CU格式等。通过两个算例,验证了格式是和谐的并具有良好的间断捕捉能力。