船舶在波浪中运动的非线性时域数值模拟

为了可靠地模拟高速及大外飘船型在恶劣海况中的运动响应,该文在基于Rankine源的线性时域数值预报方法的基础上,通过在运动方程中添加考虑瞬时湿表面影响的非线性恢复力和入射波力,建立了船舶在波浪中运动的非线性时域数值模拟方法。该方法在数值计算中仍采用线性自由面条件、平均湿表面面元,采用数值海岸技术来满足自由面上的辐射条件。应用本文建立的非线性时域数值模拟方法对高速水面船DTMB5512和大外飘集装箱船Flokstra进行了顶浪状态下的数值模拟研究,数值计算结果表明非线性时域预报方法计算结果较线性方法更接近于试验结果,说明该文方法的有效性。     

密度线性分层环境下垂直贴壁异重流数值模拟

通过求解雷诺时均N S方程,应用考虑密度的物质输运模型模拟计算了密度分层环境下的垂向二维贴壁射流过程,采用数值模拟方法对异重流的演进过程、头部运动速度进行了研究,并根据计算结果分析了异重流的演进特征以及浮力系数对运动特征值的影响。模拟结果表明数值计算结果与试验结果吻合,说明该数值模型可以比较准确地模拟分层流体环境下异重流的演进过程。     

可变给水度的潜水面运动方程

对Boussinesq方程进行修正,在地下水模型中考虑给水度的可变性,建立了可变给水度的潜水面运动方程。考虑包气带的水分存贮作用,提出了一个可变给水度潜水面运动方程的通式,使给水度的变化间接通过包气带吸力的变化特征来表现。通过引入简化的或经验的给水度变化模式,建立了基于完全给水度和基于Boulton滞后理论的潜水面运动方程。使用Hydrus2D程序模拟砂料的渗流槽试验以检验经改进的方程,结果表明基于完全给水度的方程显著改善计算结果,而基于Boulton滞后理论的结果与难以确定的滞后因子有关,且不一定能够反映实际滞后排水特性。     

高速掺气水流数值模拟研究

应用FLUENT商用软件及其二次开发技术,采用双流体模型及混合k-ε 湍流模型对带有掺气挑坎的陡槽高速掺气水流进行了二维数值模拟。根据掺气水流的特点,重点对相间阻力模型进行了改进,特别在构建相间阻力本构关系式时考虑了湍流扩散的影响。计算结果表明,在相间阻力模型中考虑湍流扩散的影响,可明显改善以往数值计算对水流掺气估算不足的状况,使掺气浓度的分布和掺气量的计算结果与试验数据符合更加良好。说明在合理构建相间相互作用力的基础上,采用双流体模型可较好地模拟高速水流掺气现象。     

考虑径流补给的滑坡渗流三维有限元模拟

现有数值模拟方法在模拟边坡降雨入渗时通常不能考虑径流流量补给对滑体渗流的影响,当滑床和滑带的渗透性相对于滑体极低时,会出现低估降雨入渗量、高估滑坡稳定性的现象。以Richards方程、运动波方程和有限元法为基础,提出了一种降雨时滑坡渗流数值模拟方法。该方法忽略滑床和滑带的渗流而只考虑滑体渗流过程,从而减小计算规模,也避免了因滑体与滑床(滑带)渗透性差异过大引起的数值计算困难;依据地形和滑体降雨入渗边界饱和情况,修正降雨入渗边界类型和流量,实现了考虑径流流量补给的滑坡降雨入渗简化数值模拟。对简单土质边坡降雨入渗进行数值模拟,从水量平衡与边坡渗流场两个角度,对比了考虑和不考虑径流流量补给的区别;结果表明,考虑径流流量补给时才能保证计算结果水量平衡,正确反映降雨入渗对基质吸力大幅降低的作用。     

图特河北汊对圣海伦斯火山爆发响应过程的模拟

受1980年圣海伦斯火山爆发的影响,图特河北汊（North Fork Toutle River）河道被掩埋深度达140多米,重新发育河道在时空上均表现出冲淤交替的调整特点。以往研究方法仅能模拟河床高程单调上升或下降的变化趋势,而不能模拟火山爆发后30多年间河道冲淤交替的动态调整过程。本文收集了图特河北汊近30年来的水沙资料和断面形态资料,采用河床演变的滞后响应模型,对图特河北汊的河床高程及河道冲淤过程进行了模拟。结果表明,滞后响应模型的不同计算模式均能较好地模拟图特河北汊对火山爆发的响应调整过程,模型计算精度较高。由于滞后响应模型考虑了前期水沙条件对河道演变的累计影响,因此该模型能够较好模拟河道由扰动后的非平衡状态向平衡状态调整的全过程,可用于模拟和预测河流受突发剧烈扰动后的动态调整路径。     

挑坎下游高速掺气水流的数值模拟

应用FLUENT软件及其二次开发技术,采用双流体模型及混合k-ε湍流模型对带有掺气挑坎的陡槽高速掺气水流进行了二维数值模拟。根据掺气水流的特点,重点对相间阻力模型进行了改进,特别在构建相间阻力本构关系式时考虑了湍流扩散的影响。计算结果表明,在相间阻力模型中考虑湍流扩散的影响,可明显改善以往数值计算对水流掺气估算偏低的状况,使掺气浓度的分布和掺气量的计算结果与试验数据符合更加良好,说明湍流扩散对掺气浓度的分布有重要作用。当采用双流体模型模拟掺气水流时,相间作用力模型应考虑湍流扩散的影响。     

船舶粘性流动计算中湍流模式应用的比较

针对六种不同的湍流模型，本文数值模拟了油轮SR196A的粘性绕流场，计算得到的阻力系数和桨盘面处流场和试验结果进行了比较。结果表明，SSTκ-ω模型和试验结果符合较好，是目前硬件条件下比较适合船舶粘性流场数值计算的一种湍流模式，本文结果可以为复杂船型粘性流场计算中湍流模式的选取提供参考意见。     

承压含水层中“扩展”井附近非达西流数值解

本文采用有限差分方法得到了承压含水层中抽水井附近非达西流的数值解，采用无量纲变量分别分析了考虑井储和不考虑井储影响的水头降深规律，并与Boltzmann变换和线性化方法所得到的近似半解析解进行了比较。结果表明，在不考虑井储影响的情况下, Boltzmann变换解与数值解吻合较好；当考虑井储影响时，Boltzmann变换解存在较大误差；无论考虑井储影响与否，线性化方法所得到的近似半解析解，在抽水后期均与数值解吻合较好，在抽水初期则存在一定误差。同时采用数值解分析了无量纲非达西水力传导度kD对水头降深的影响，在抽水后期，kD越大，水头降深越小。     

非饱和环境对渗压计测值的影响

按规定，渗压计在工作过程中应始终处于饱和状态的环境之中。由于种种原因，实际上不能常常做到这一点。为了研究非饱和环境对渗压计测值的影响，特进行了一系列模拟试验。试验结果表明，非饱和环境对渗压计测值的影响，主要表现在真值压力出现时间的滞后上，土层渗透性愈小，滞后的时间愈长。进行了理论分析，建立了相应的数学模型。在实际工程中滞后现象应予考虑，特别是在以渗透压力原位监测为依据的填方工程中，在确定临界值时应     

船舶在长峰和短峰不规则波中运动的三维时域数值模拟

船舶在真实海况中的航行性能越来越受到重视。此文在规则波中航行船舶运动的时域预报方法的基础上,发展了长峰和短峰不规则波的数值模拟技术,建立了航行船舶在长峰和短峰不规则波中运动的三维时域数值模拟方法,并应用该方法对一条10万吨油轮进行了数值模拟研究,计算了该油轮在长峰不规则波中的运动响应。试验和计算结果表明此文方法有一定的精度。最后还对该油轮进行了短峰不规则波中运动的数值模拟。长峰和短峰不规则波中的计算结果比较表明短峰不规则波对该油轮运动可产生较大影响。     

基于流固耦合试验的k-n表达式探讨

k-n关系是岩土工程流固耦合分析计算中的一个关键表达式,常规的室内渗透试验由于没有考虑到渗流过程中的流固耦合效应,因而得到的k-n关系与实际情况有偏差。为得到更精确的k-n关系,采用自主研发的SRS-1型渗流和蠕变耦合试验仪开展了各种不同固结压力下的三轴流固耦合试验,获得了渗流过程中土样孔隙率随时间的变化曲线,拟合得到了考虑流固耦合与不考虑流固耦合的k-n表达式,并对考虑流固耦合、不考虑流固耦合及Kozeny-Caman经验公式给出的3种k-n表达式进行了对比分析。将3种表达式分别用于考虑流固耦合效应的一维饱和地基固结的数值模拟,将计算结果与非流固耦合方法计算结果进行比较。结果表明:渗流过程中土的孔隙率是动态变化的,为得到更精确的k-n关系,应考虑渗流过程中的流固耦合效应;工程中的土体固结问题实际是一个流固耦合问题,不能按非流固耦合方法计算,否则产生的误差非常大;当前流固耦合数值模拟中被广泛使用的Kozeny-Caman经验公式不能很好地反映黏土k-n的关系,在数值计算中造成的误差非常大,因此不建议使用;为了提高数值模拟结果的准确性,建议采用考虑流固耦合效应的k-n表达式。     

考虑水驱油藏润湿性变化的数值模拟方法

注水开发过程中岩石润湿性的变化对水驱效率和剩余油的分布影响较大，然而目前通用的数值模拟软件未能将其考虑在内。本文根据已有结论及研究成果，提出了考虑岩石润湿性变化的方法。主要利用相对渗透率的变化来表征润湿性的变化，根据含水饱和度的变化选择相应的相对渗透率曲线，在黑油模型的基础上建立能反映长期水冲刷后油藏岩石润湿性变化的数学模型，开发研制了三维三相下考虑储层润湿性变化的数值模拟软件，结合胜利油田典型油藏，进行了数值模拟研究。结果表明：岩石润湿性变化对水驱效果的影响与开发初期岩石润湿程度有关，对于偏亲水油藏，考虑润湿性变化后计算的采出程度有所减小，而亲油油藏考虑润湿性变化后计算的采出程度有所增加。     

建筑物密集城区溃堤水流二维数值模拟

通过考虑社区和楼房内部的容水性,引入侵入水量的概念,建立了能够模拟建筑物密集城区溃堤水流运动的数学模型。该模型采用有限体积法对浅水方程进行非结构离散,通过Roe格式计算界面数值通量,给出了侵入水量的合理估算方法。通过物理模型的试验结果验证了本文模型的准确性和稳定性。最后应用该模型对哈尔滨市可能发生的溃堤洪水进行模拟,计算结果表明,该模型能较好地模拟溃堤洪水在城区内的运动过程,侵入系数的变化对计算结果有比较明显的影响。     

大坝地质力学模型试验中扬压力模拟方法研究

应用力学分析、数值计算和试验研究等多种方法进行研究,提出用等效荷载模拟扬压力的方法。结合实际工程算例进行数值分析,论证了等效模拟方法的工程适用性,并在大坝地质力学模型试验中应用等效模拟方法,获得了较为合理的试验结果。研究结果表明,扬压力等效模拟方法是一种可行的、合理的试验方法。     

施工缝数值模型及验证

为了解决施工缝在钢筋混凝土结构数值计算中的模拟问题,根据已有研究成果,结合施工缝的形成及受力特点,选用合适的模型进行模拟。该模型运用纤维模型的相关研究成果,并综合考虑了施工缝周围区域的平均剪切效应,同时考虑法向拉压性能和切向剪切性能。借助Open Sees软件平台,提出施工缝模型的建模流程,并对4根带缝柱以及两榀RC平面框架的拟静力试验进行了数值模拟。最大荷载和力-位移滞回曲线的试验与计算结果表明,该模型可以模拟沿施工缝面的剪切滑动和施工缝面开裂以后钢筋产生较大的滑移所造成的捏缩现象,应用该模型计算的结果与试验结果吻合较好,验证了施工缝模型的合理性和有效性。     

三峡水库近坝区三维流场及温度场的数值模拟

基于三维不可压缩流动的N-S方程建立水流水温模型,模型在动量方程中考虑浮力作用并取消了静水压力假定,采用大涡模拟紊流模型计算紊动扩散,并考虑水面散热及其太阳辐射的影响因素,适合于对复杂流态及其有密度分层流动的数值模拟。应用所建立的数学模型对三峡近坝区从庙河至坝前水域的三维流场及温度场进行了数值模拟,计算出的水温分布与坝前观测的水温分布二者符合良好。模拟结果表明,三峡水库在蓄水至139 m水位时,垂向没有明显的水温分层,与实测结果相符。     

考虑地下水影响的大华滑坡塌岸预测

针对目前塌岸预测方法多属于经验性或半经验性、简化了水文地质条件的影响而存在无法清楚了解塌岸和地下水影响之间确切关系的问题,在考虑地下水影响的基础上,综合应用极限平衡搜索预测法和FLAC3D数值模拟预测法两种数值模拟方法,对大华桥水库大华滑坡进行了塌岸预测,并与传统的卡丘金法预测结果进行了对比分析。结果表明,极限平衡搜索预测法和FLAC3D数值模拟预测法在大华滑坡这种滑移型塌岸中的预测结果较为接近和合理,考虑地下水影响下的数值模拟塌岸预测方法对滑移型塌岸的预测是可行与有效的。     

桐子林水电站明渠弯道流场三维数值模拟

采用κ～ε紊流模型结合自由面追踪的VOF方法对桐子林水电站明渠弯道消力池流场进行了三维数值模拟,并与物理模型试验值进行了比较,结果表明,计算值与试验值吻合良好.数值模拟获得了物理模型试验难以测量的流场详细信息,尤其是横向紊动特性及其发展演变的过程,结果令人满意.计算结果为导流明渠体型优化提供了重要参考,表明数值模拟应用于导流建筑物的体型优化研究中具有独特优势.     

黄河下游河岸横向变形数值模拟研究

通过在水流运动方程中增加弥散应力源项,考虑弯道二次流的影响,引入横向环流输沙对河床冲淤变化的影响,对悬移质不平衡输沙方程、推移质输沙方程及河床变形方程进行了修正.根据黄河的特点建立了模拟河岸侵蚀、崩塌的计算方法,应用所扩展的平面二维数学模型对黄河下游河道的横向变形及河势演变进行了数值模拟,结果表明该计算模型能较好地模拟河道横向变形.