NUMERICAL SIMULATION OF SLOSHING IN RECTANGULAR TANK WITH VOF BASED ON UNSTRUCTURED GRIDS

A new method for sloshing simulation in a sway tank is present, in which the two phase interface is treated as a physical discontinuity, which can be captured by a well-designed high order scheme. Based on Normalized Variable Diagram (NVD), a high order discretization scheme with unstructured grids is realized, together with a numerical method for free surface flow with a fixed grid. This method is implemented in an in-house code General Transport Equation Analyzer (GTEA) which is an unstructured grids finite volume solver. The present method is first validated by available analytical solutions. A simulation for a 2-D rectangular tank at different excitation frequencies of the sway is carried out. A comparison with experimental data in literature and results obtained by commercial software CFX shows that the sloshing load on the monitor points agrees well with the experimental data, with the same grids, and the present method gives better results on the secondary peak. It is shown that the present method can simulate the free surface overturning and breakup phenomena.     

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.     

Numerical simulation of hull/propeller interaction of submarine in submergence and near surface conditions简

Hull/propeller interaction is of great importance for powering performance prediction. The features of hull/propeller interaction of a submarine model with a high-skew five blade propeller in submergence and near surface conditions are numerically simulated. The effect of propeller rotation is simulated by the sliding mesh technique. Free surface is captured by the volume of fluid （VOF） method. Computed results including resistance, thrust, torque and self-propulsion factor are compared with experimental data. It shows fairly good agreement. The resistance and wave pattern of the model at different depths of submergence are computed. And the thrust, torque and self-propulsion factor of the model in submergence and near surface condition are compared to analyze the effect of free surface on self-propulsion performance. The results indicate that free surface has more influence on resistance than that on self-propulsion factors.     

基于有限体积法的伴随数值模型研究

传统上认为伴随数值模型的构造应先设计正向方程的数值格式,然后由数值格式推导伴随数值格式建立伴随模型,但利用该方法过程繁杂繁琐,且从正数值模型直接得到伴随模型,制约了对伴随模型数值格式的具体设计,如利用该方法就无法构造有限体积法的伴随数值模型.为发挥有限体积法在数值格式和边界拟合方面的优势,和检验对伴随方程进行数值格式选取和设计的可行性,本文直接从深度平均的非线性守恒型浅水方程出发,先利用Lagrange法推导得到其伴随方程,然后再对浅水方程和伴随方程的数值通量分别采用二阶精度的Roe格式和一阶精度的Lax-Friedrichs流函数格式,建立正模型和伴随模型采用不同数值格式的无结构三角网格有限体积法的伴随模型.进行的一系列数值实验,正确反演出了顺直河道和概化河口的开边界,结果表明该方法构造伴随模型是可行的,为伴随模型的构造方法开辟了一条新的途径.     

Experimental study and finite element analysis of wind-induced vibration of modal car based on fluid-structure interaction

The wind-induced vibration of the front windshield concerns the traffic safety and the aerodynamic characteristics of cars. In this paper, the numerical simulation and the experiment are combined to study the wind-induced vibrations of the front windshield at different speeds of a van-body model bus. The Fluid-Structure Interaction (FSI) model is used for the finite element analysis of the vibration characteristics of the front windshield glass in the travelling process, and the wind-induced vibration response characteristics of the glass is obtained. A wind-tunnel experiment with an eddy current displacement sensor is carried out to study the deformation of the windshield at different wind speeds, and to verify the numerical simulation results. It is shown that the windshield of the model bus windshield undergoes a noticeable deformation as the speed changes, and from the deformation curve obtained, it is seen that in the accelerating process, the deformation of the glass increases as the speed increases, and with the speed being stablized, it also tends to a certain value. The results of this study can provide a scientific basis for the safety design of the windshield and the body.     

非结构网格浅水方程隐式解法

基于非结构网格模拟河道复杂边界的研究域,应用算子分裂法剖分浅水方程,采用有限体积法离散,建立隐式格式的通量计算,构造一种模拟二维水流运动的隐式算法。该方法具有计算稳定的特点,并应用于长江南京段分汊河道的流场模拟,计算结果与实测结果吻合良好,验证了算法的可行性和有效性。     

水垫塘多层淹没射流数值模拟及消能研究

本文对纵向多层淹没射流水垫塘流态进行了数值模拟，将能量方程耦合于ＳＩＭＰＬＥ算法中使计算结果与实测值更为接近．文中分析、比较了单层和多层射流入塘后的水流结构及消能机理．研究表明，由于多层射流的能量耗散加快且分布均匀化和“动水垫”效应，使其在充分发挥水垫消能作用，提高消能率和降低塘底动水荷载及冲剧等方面明显优于单层射流．     

基于Godunov格式的流域地表径流二维数值模拟

采用完整二维浅水方程组模拟地表径流运动时会遇到干湿转化处理的难题,为解决该问题,本文采用坡面流为均匀覆盖流域地表的片状薄层水流的概念开发完成了一套新的基于Godunov格式的地表径流二维水动力模型。模型中,采用三角形网格离散计算区域,修正的Roe格式计算界面通量,底坡项直接积分求解,对高度非线性的摩阻项进行半隐式处理。本模型的最大优势是干湿处理变得异常简洁,单元水面和地形均无需任何特殊处理。通过4个经典算例验证了该模型具有良好的精度和稳定性。最后将模型用于解家湾流域S曲线的计算和实测场次降雨径流过程的模拟,所得计算结果合理、可靠,表明本文模型具备模拟流域地表径流运动的能力,可为小流域汇流计算提供一种新的解决方案。     

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.     

基于控制蓄量的渠系运行控制方式

本文提出基于蓄量控制的渠系运行规则,采用流量前馈和水位反馈的闸门组合控制,建立多渠段串联控制运行模型.应用该模型在ASCE推荐的缓坡测试渠道上进行了计算机仿真.结果表明,渠道系统能通过对渠池内的水量的调节进行合理调控以满足下游需水流量,不要求渠池水深保持不变,使渠系具有良好的响应和恢复特性.该渠道运行控制模型可用于具有复杂运行要求且缺少调节水库的大型渠道输水系统.     

涌潮作用下丁坝附近水流运动特性的数值模拟研究

采用压力隐式算子分割法(PISO)求解雷诺时均方程和RNGκ-ε紊流模型,建立了描述涌潮作用下丁坝附近水流运动规律的数学模型。水流的控制方程采用有限体积法离散,物理变量采用交错网格布置,自由表面应用流体体积(VOF)法追踪。该数学模型得到实测资料的验证后,数值模拟了钱塘江涌潮作用下丁坝附近的流场、自由水面、涌潮变形和涌潮压力的变化规律等。结果表明:丁坝附近水力特性受涌潮影响较大,来潮初始,丁坝附近紊动强烈,流场和自由水面变化很大;丁坝上涌潮压力急剧增大,且丁坝不同高程处的压力几乎都在同一时刻达到其最大值。     

多股多层水平淹没射流数值模拟研究

多股多层水平淹没射流是一种新型消能型式。本文采用VOF(Volume of Fluid)法和RNG k-ε紊流模型结合向家坝水电工程对多股多层水平淹没射流进行了三维数值模拟，将计算值与实验值进行了对比，计算值与实测值吻合较好，表明数值模拟方法是研究消力池水流运动规律及消能机理的有效途径。文中分析讨论了多股多层射流进入消力池后的水流结构与消能机理，研究结果表明：多股、多层射流进入消能水体时，在各主流的四周有一个消能旋滚，形成多个强剪切层消能区，消能率较高，但在平面上没有形成明显的、贯穿的立轴旋涡。同时，由于各漩滚的相互作用，能有效减小对消力池固壁的冲刷。     

溢洪道出口窄缝挑坎特性研究

消能工体型的选择在水利工程设计中至关重要。采用RNG k-ε紊流模型与VOF方法对泄洪过程中溢洪道与水垫塘内的水流进行水气二相流三维数值模拟,研究窄缝型挑坎消能工的水流特点及规律,结果显示,数值模拟计算的水深、水流流态、入水角度等参数与模型试验结果吻合较好,验证了数值模拟的可行性。在此基础上,计算分析了窄缝型挑坎收缩段水流及空中水舌的水力特性,以及水垫塘底板压强分布规律,确定出窄缝型挑坎最大压强所在位置及空中水舌流速变化规律。研究结果表明：窄缝型挑坎束窄水流作用明显,其空中水舌同一横断面的最大流速位置基本相同,同一纵向断面垂向流速差沿程逐渐减小,挑坎收缩段底板处流速大小呈抛物线形分布,而压强分布沿程呈现3个区间3个趋势的分布规律。研究成果可为实际工程中同类型消能工的设计提供参考。     

基于用水总量控制下水资源配置研究

构建了以缺水量最小为目标函数的用水总量控制下流域年度水资源配置模型, 在 Visual C# 基础平台上设计 水资源配置模型生成器, 编辑生成数学模型, 再调用 Lingo 脚本文件实现数学模型的快速求解, 以赣江流域为例进 行计算, 得到赣江流域内水资源配置结果, 结果表明, 用水总量控制是制约城市用水快速增长的关键因素之一, 为城 市用水规划给予技术支撑。     

基于四水转化的灌区耗水量计算模型

针对以往灌区耗水量计算方法的不足和灌区水循环机制的特点,本文建立了基于四水(即大气水、地表水、地下水和土壤水)转化的灌区耗水量计算模型。该模型把灌区划分为农田、林草地、荒地、湖泊湿地和城镇用地五类水均衡模块,重点考虑了人类活动对灌区农业、工业、生活和生态耗水量的影响。以宁夏青铜峡引黄灌区为例,详细计算了各种耗水类型的耗水总量和耗用的黄河水总量,并定量分析了各水均衡要素间的相互转化关系。模拟计算结果与试验观测结果对比分析表明,该模型在平原灌区具有较好的模拟精度,能够应用于生产实践。     

浅层无砂垫层真空联合水袋堆载预压软基处理研究

针对无砂垫层真空预压后期地基承载力提升有限等问题,为了进一步提高软土地基的承载力,采用Abaqus软件建立无砂垫层真空预压法和无砂垫层真空联合水袋堆载预压法的数值模型,并与现场实际情况进行对比分析,验证了模型的有效性。在大面积吹填土地基内利用可循环利用的水袋替代砂石料作为堆载材料,开展真空联合水袋堆载预压软基处理现场试验。该处理方法施工方便,受外界干扰少,施工成本低,对环境影响小。根据水袋高度调节堆填荷载大小,基本不使用砂石料,水袋堆载卸载方便,真空联合堆载衔接时间短,优化了真空预压联合堆载施工工艺。结果表明:在真空预压1个月后可提前引入水袋荷载,处理后土体在0～2 m深度范围内的平均含水率可降低至43%,土体地基承载力可达到65 kPa。与无砂垫层真空预压法相比,真空联合水袋堆载预压法施工期沉降速率、孔压大,孔隙比、含水率小,沉降量大,土体固结速度快,工后沉降小,土体承载力提高了30%,扩展了真空预压处理技术的应用范围。此法适用于缺乏砂石堆载料或运输相对不方便、工期短、地基承载力要求为50～60 kPa的新近吹填淤泥质土的软基处理工程。     

永定新河二维输沙有限元数值模拟

本文应用不平衡输沙原理，并采用一种集中质量矩阵的“迎风”有限元方法对二维泥沙扩散问题建立了数学模型，该模型对永定新河北塘河口作了数值模拟计算，计算的结果与实测的水位、流速、沙量过程进行了验证，验证结果是合理的。     

黄骅电厂冷却水取水河段潮流的数值模拟方法

针对黄骅电厂冷却水取水河段的特点，采用一维非恒定流方程和二维正交曲线坐标下的浅水方程，对电厂取水河段潮流进行数值模拟。结果表明，对该取水河段利用两套数学模型联合运行的方法，是行之有效的。     

丰满水电站重建工程老坝拆除高程对下泄水温的影响研究

为研究丰满水电站老坝拆除高程对下泄水温的影响,建立了全三维水动力学—水温耦合数学模型,同时开展了物理模型试验,针对老坝拆除高程235.0~244.0 m条件下下泄水温进行了分析。研究结果表明:冬季水电站运行下泄水温受老坝拆除高程影响较小,而夏季下泄水温则受老坝拆除高程影响较大;丰满水电站重建工程老坝拆除高程237.5~240.0 m均能满足改善下泄水温的要求。