一维河网非恒定渐变流计算的汊点水位迭代法及其应用

采用Preissmann格式离散圣维南方程组,对离散得到的非线性系统通过Newton-Raphson迭代进行非线性求解,利用汉点水位迭代法处理河段间耦合问题,建立了适用于一维河网非恒定渐变流计算的数值模型.以矩形断面棱柱型渠道为例讨论了汊点水位迭代法的收敛性质和计算参数的选取原则,完善了汊点水位迭代法的理论基础.结合河网经典算例及三亚河水动力过程数值模拟对模型进行了验证,并分析了方法的收敛性及计算效率,计算表明汊点水位迭代法具有良好的工程适用性.     

钱塘江引水入城工程水质分析及预测研究

复杂河网的水质分析与预测一直是广为关注的研究课题。本文采用一维非恒定流圣维南方程组、汉点连接方程组和边界条件，建立了运西河网水动力学模型和水质模型，采用四点加权Preissmann隐式差分格式离散并求解。对多种备选引水方案下的河网水质CODMn和水质分类进行预测，提出了相应的最优引水规模；分析了钱塘江沿岸引水对下游水厂含氯量的可能不利影响和相应对策；为运西河网的综合整治方案比选提供了技术支持。     

基于FVM-HGA的河流水质模型多参数识别

针对解析法求解河流水质模型的不足和传统方法在求解河流水质模型多参数识别问题遇到的困难,提出了采用有限体积法结合混合遗传算法(FVM-HGA)的参数识别算法。由于水质模型中源项的广泛存在,对流项的离散采用了满足有界性条件的非线性高精度格式-MINMOD格式。由于优化算法对参数识别反问题具有的普遍适用性,因而反演算法采用了全局寻优能力很强的遗传算法;为了克服传统遗传算法局部搜索能力较弱的缺点,采用了遗传算法与最速下降法相结合的混合遗传算法。两个算例的计算结果表明,采用FVM-HGA算法对常系数河流水质模型和变系数水质模型都能给出较好的反演结果。     

复杂边界下三维水流数学模型的建立和验证

本文从底层开发了三维水流数学模型。模型使用平面正交坐标和立面为a坐标来拟合河道平面形态、地形和自由水面的不规则分布。计算中采用同位网格布设方式和动量插值方法来避免棋盘压力分布。采用有限体积法（FVM）离散紊流方程，方程的对流项采用修正QUICK格式离散。采用SIMPLEC算法求解流速场和动水压力场。通过对弯道和深槽水流输运的验证表明计算结果和实测值吻合良好，模型能够用于复杂边界条件下水流输运数值计算。     

炉膛辐射换热计算的一种改进的离散传递法

在Lockwood和Shah于1981年提出的离散传递法中，求解沿特征射线的辐射传递方程时没有将入射散射项计入。基于作者最近提出的带微小加权离散坐标格式，文中提出了一种改进的离散传递法：首先采用一个常规离散坐标系列来求解辐射强度场，然后再由此强度场向特征射线的辐射传递方程提供源函数(包括入射散射项)。这样，改进的离散传递法就可以处理有散射的多维辐射问题。最后采用2个二维测试问题对这一方法进行了验证，证明该法能适用于任何场合。     

应用混合有限元法有限体积法处理运动电磁问题

提出应用混合有限元法有限体积法处理运动电磁问题,讨论了运动电磁问题控制方程的特性,阐明了Galerkin有限元法离散格式的误差估计,说明了一般Galerkin有限元法处理对流占优型对流扩散方程时解的不稳定性.结合应用数学领域中处理对流扩散方程的方法,提出了用有限元法离散控制方程的扩散项,而用有限体积法离散控制方程的对流项,同时在对流项的离散中引入迎风思想以消除解的振荡.应用这种方法计算了一个简单的运动问题,结果表明该方法可以很好的处理运动问题.     

有限元法与有限体积法相结合处理运动电磁问题

提出了应用有限元法与有限体积法相结合处理运动电磁问题。运动电磁问题控制方程的特性是方程中不仅有二阶导数项,还含有一阶导数项,且一阶导数项的系数很大。处理这类问题的关键是如何离散一阶导数项。阐明一般Galerkin有限元法离散格式的误差估计,说明一般Galerkin有限元法处理对流占优型对流扩散方程时解的不稳定性,当局部Peclet数较大时,Galerkin有限元法求解会使结果产生明显的振荡。在比较了有限元法与有限体积法各自优点的基础上提出将这2种方法相结合处理运动电磁问题,同时,在对流项的处理中还引入了迎风格式以消除数值解的振荡。对简单的一维问题分别应用解析法和数值法计算,从而说明了文中提出的方法的正确性和高效性。应用该文方法计算了一个简单的运动问题,结果表明这种方法可以很好地处理运动电磁问题。     

基于单极性输运模型的聚乙烯空间电荷输运特性研究

采用单极性载流子输运模型仿真了聚乙烯短路后的空间电荷的输运特性,比较了不同对流项离散格式数值解的准确性,并研究了放电电流的影响因素。研究结果表明,电子连续性方程为对流占优的对流扩散方程,应采用三阶迎风格式离散对流项。采用欧姆电极时,空间电荷消散所引起的放电电流衰减比阻塞电极快。随着电子迁移率和初始电荷密度的增加,相同时刻的放电电流密度越大。随着温度的增加,放电电流密度减小。该结果可为深刻认识等温松弛电流法和热刺激电流法实验结果提供理论基础。     

蜂窝汽封和迷宫式汽封流动性能比较的数值研究

该文采用数值求解三维Navier-Stokes方程技术研究蜂窝汽封和迷宫式汽封的流动特性。采用有限体积方法离散Navier-Stokes方程，标准k-ε两方程紊流模型封闭方程组。数值求解方法采用SIMPLE算法，迎风2阶格式求解对流项，迎风1阶格式求解扩散项。数值模拟结果表明在相同的隔板前、后压力差和汽封间隙下，蜂窝汽封的泄漏量小于迷宫式汽封。同时揭示了蜂窝汽封内的泄漏流动被小蜂窝分隔成许多小涡流，使泄漏流动的动能有效地转换为热能，从而降低了泄漏量，提高了密封效果。该文的研究工作为汽轮机中进一步应用蜂窝汽封提供了理论依据和技术支撑。     

二维非恒定对流扩散方程的有限解析法

本文根据C.J.Chen教授提出的有限解析法,求解了二维非恒定对流扩散方程,构造了该方程的离散格式,同时运用Fourier分析方法得出该离散格式是无条件稳定的。     

基于谱元法的三维欧拉-拉格朗日浅水模型

基于欧拉-拉格朗日法（Eulerian-Lagrangian method,ELM）计算对流项的三维水流数学模型,大时间步长计算仍保持稳定,但空间线性插值计算会产生附加数值阻力,限制了该类模型在河流工程中的应用。谱元法（spectral element method,SEM）是一种适合复杂区域计算的高阶数值方法。本文引入谱元法,将垂向线性插值改为多项式插值,构建了新的欧拉-拉格朗日法三维浅水流动数值模型。通过顺直明渠的算例分析表明,新三维模型结合了欧拉-拉格朗日法与谱元法的优点,时间步长能突破柯朗数的限制,同时消除了经典欧拉-拉格朗日法的数值阻力,计算精度有数量级的提高。     

Simulating winds and floods-regional weather-river prediction andregional climate research

The authors at the University of California Lawrence Livermore National Laboratory (UC-LLNL) developed a coupled modeling system. The system simulates regional-scale weather, land-surface processes, and river flow using large-scale atmospheric data and land surface terrain information as input. This Coupled Atmosphere River Flow Simulation (CARS) system consists of the mesoscale atmospheric simulation (MAS) model coupled with a soil-plant-snow (SPS) model, our Automated Land Analysis System (ALAS) and a physically-based fully distributed surface hydrology and river flow model, TOPMODEL. The MAS model is a primitive-equation, limited-area model. It includes a third order accurate advection scheme and physical processes for: (1) precipitation and thermal forcing due to deep convective clouds and stratiform clouds; (2) solar and terrestrial radiative transfer within the atmosphere, and (3) turbulent transfer at the Earth's surface and within the atmosphere. Interactions between the atmosphere and land-surface are computed using the SPS model. It is interactively coupled to the MAS. The SPS keeps track of hydrologic variables such as water stored in the snowpack that is crucial for assessing the available water resources. The ALAS provides topographic properties, such as river networks and watershed areas, at specified resolutions, using digital elevation model data     

基于模糊综合评价方法的内河河网流量分配模型

内河河网水环境改善可通过水体置换实现,对于来流一定的内河河网可通过优化河网的流量分配来实现各河段水体置换。河网流量分配与河网几何特征属性存在着密切的河相关系,当河网流量发生变化,河流自动调整达到平衡后,其纵横剖面形态与流量之间就形成特定的主从变量关系,本文选取河长l、河底比降i、分汊角度а等关键几何特征属性作为流量变化的从变量,引入模糊数学理论及粗糙集理论,运用模糊综合评价法确定不同几何特征属性对河网流量分配的影响权重,用于预测内河河网各河段的流量分配。将该模型应用于福州市内河引水工程水动力环境研究,验证了所建模型的合理性,研究结果对河网配水方案规划或常规运行调度方案比选具有重要的参考价值。     

大型城市湖泊群引水调度模式研究

武汉东湖是国内最大的城中湖,东湖、沙湖、严西湖和北湖组成了大型城市湖泊群。＂大东湖生态水网构建工程＂将重建长江与湖泊群的水力联系,通过引江济湖改善湖泊群的水生态系统。为确定工程合理的引水调度模式,本文建立了湖泊群水动力水质模型,采用正交规则网格,考虑污染物的自然降解和底泥释放,采用零厚度隔板模拟湖中的隔堤,并对模型进行了率定和验证。综合考虑可引长江水量和入湖径流总量,选取典型平水年,对三种引江济湖调度模式进行了深入研究,通过建立的水动力水质模型的动态模拟计算,分析与比较各种调度模式的引水效果,为大东湖生态水网连通工程的实施提供科学的决策依据。     

感潮河网调水过程的数值模拟研究

利用外河潮位和内河水位涨落落差进行内陆河网引清调水和防洪排涝，是改善感潮河网水环境、保障当地供水安全和提高防灾减灾能力的一种有效途径。本文根据Saint-Venant方程组和Preissmann加权四点隐式有限差分格式建立了感潮河网调水数学模型，该模型应用于浦东新区河网调水过程模拟的结果表明，其计算速度快、精度也较高，可对感潮河网调水水流时空变化过程、闸门开启过程引排水流量以及调水过程引排水总量进行模拟和计算。结合计算智能方法进一步讨论了调水过程外河潮位实时预报、感潮水闸流量的计算和调水模型河网糙率的反演问题。感潮河网调水过程数学模型的研究可以为平原河网地区水资源的智能监控提供支撑平台。     

基于高效高精度栖息地模型的生态流量研究

为实现水电开发和生态保护的和谐发展,科学、定量、高效地分析水电站运行对河流生态的影响,已成为当前水利科学研究的热点。本文将基于Godunov格式有限体积法求解的水动力模型与栖息地适宜模型相耦合,并引入GPU加速技术,建立高效高精度栖息地适宜模型。以野狐峡下游为研究河段,花斑裸鲤为目标鱼类,对不同流量下河段产卵生境进行模拟,以确定电站建成后适宜目标鱼类产卵的生态流量。结果表明：流量在87.5～139m³/s和338～562.5 m³/s时,适宜花斑裸鲤繁殖的有效栖息地面积占其最大值的90.0%以上。为保障产卵栖息地状态良好,建议生态流量在499.2 m³/s附近。该成果对保护黄河上游土著鱼类栖息地具有重要的生态意义,也可为评价水利工程对水生生物的影响提供科学支持。     

Local Discontinuous Galerkin Methods for Moment Models in Device Simulations: Formulation and One Dimensional Results

We report our preliminary work in applying the local discontinuous Galerkin (LDG) finite element method to solve time dependent and steady state moment models, such as the hydrodynamic (HD) models and the energy transport (ET) models, for semiconductor device simulations, in which both the first derivative convection terms and second derivative diffusion (heat conduction) terms exist and are discretized by the discontinuous Galerkin (DG) method and the LDG method respectively. The potential equation for the electric field is also discretized by the LDG method, thus the numerical tool is based on a unified discontinuous Galerkin methodology for different components and is hence potentially viable for efficient h-p adaptivity and parallel implementation. One dimensional n⁺-n-n⁺ diode is simulated in this paper using the HD and ET models and comparison is made with earlier finite difference Essentially Non-Oscillatory (ENO) simulation results.