基于SPH的自由表面流动数值模拟

光滑粒子流体动力学方法是一种新近发展的无网格数值方法,在处理自由表面等复杂边界、流体大变形方面具有显著优势.应用该方法求解了拉格朗日形式的Navier-Stokes方程,为提高计算精度,本文通过采用两种粒子模拟固壁边界,改进了计算方法.并对湍流、粘性流体、不可压缩问题进行求解.通过二维和三维算例对近岸水动力学中波浪传播、变形、与建筑物的相互作用问题进行了数值计算,验证了其可行性,并为SPH的进一步扩展和应用奠定了基础.     

基于SPH方法的两平行平板间层流的数值模拟及验证

基于SPH方法的基本原理,综合考虑了对各种定解条件的设置,用Fortran语言独立编写了一套用于模拟两平行平板间层流的SPH二维计算程序,并应用于泊肃叶流和库埃特流的数值模拟之中,将模拟结果与理论解析解和通过Flow-3D软件数值模拟得到的数值结果进行对比,分析表明三种方法得到的计算结果非常吻合,从而实现了对SPH数学模型和SPH计算程序的验证,为SPH方法的进一步发展和广泛应用奠定了一定的基础。     

基于SPH消力池内陡坡水跃的数值模拟

为了满足明渠水流入流的边界条件,扩展SPH方法在明渠恒定流模拟中的应用,本文建立SPH方法的出入流模型,通过设置相应的出入流边界条件,研究不同坡度下消力池内陡坡水跃特性。针对两种不同流量,对斜坡坡角θ分别在20°、30°、45°条件下的陡坡水跃进行数值模拟。模拟结果与文献中的实验结果进行对比分析,结果表明:出入流模型能为陡坡水跃的数值模拟提供稳定的水流。各陡坡不同流量下水面线的变化趋势基本相同,误差均在±10%内;相同坡角时,单宽流量为0.063 m~2/s的消能效果均大于单宽流量为0.105 m~2/s的消能效果。该方法处理出入流边界简单,合理准确,能够较好地模拟不同坡度下消力池内陡坡水跃,得到陡坡水跃特性,具有一定的可行性和可靠性。     

基于SPH无网格法的纺锤形桩靴连续贯入过程模拟

纺锤形桩靴在饱和土中贯入过程涉及土体极大变形和复杂的土、水、结构三者耦合作用,由于网格畸变问题,采用传统网格类数值方法很难进行模拟。SPH无网格法借助于一系列粒子进行插值,粒子与粒子之间无联系,将偏微分形式的控制方程转化为常微分方程组进行求解,可有效避免网格畸变问题。基于土-水-结构耦合SPH无网格算法,对桩靴在中密、密实砂土及饱和黏土中的连续贯入过程进行模拟,研究土体存在极大变形条件下桩靴贯入阻力、超孔隙水压力及总应力等物理量在贯入过程中的变化规律,并与CEL大变形有限元分析结果及室内离心机测值进行对比和分析。研究结果表明:采用土-水-结构耦合SPH算法可以准确地捕捉土、水混合物发生大变形时的自由面特征、贯入阻力、孔隙水压力及超孔隙水压力等物理量。     

退水渠道水力特性模拟的SPH方法及工程应用

退水渠建筑物是排泄灌溉渠道内剩余水量或入渠洪水的渠道,在灌区中起着至关重要的作用。为了得到退水渠道的水力特性,更好地指导工程设计和运行管理,通过三维建模,利用光滑质点水动力学方法(SPH)对退水渠进行数值模拟,对不同退水流量工况的沿程水深、水流流速以及消能率进行分析,结果表明：4种典型退水流量下,水面线会随退水流量的增大而升高,在设计流量Q=5.99m³/s时,分水池段的最大水深为1.69m,经验算满足边墙设计高度;渠道水流流速最大处在陡坡段末x=35m位置,最大流速6.53m/s;退水渠的消能率随着入流流量的减小而增大,4种典型流量的消能率最终达到了59.3%、57.04%、54.69%、50.02%。     

二阶核近似有限粒子方法的改进

该文对基于相容性核近似方法的二阶核近似光滑粒子流体动力学方法(K2_SPH方法)中函数及导数的核近似估计方法进行了改进,提出了一种改进的二阶核近似有限粒子方法(SK2_FPM方法).以一维情况为例对SPH方法、K2_SPH方法和SK2_FPM方法的核近似精度进行了理论推导和比较分析,并用Poiseuille流动、Couette流动以及一阶线性驻波问题三个经典算例对模型进行了检验.结果表明,随着核近似精度的改进,SK2 FPM方法较传统SPH方法和K2_SPH方法在计算精度和稳定性上都有一定程度的提高.     

稀薄气－固两相流中相间的相互作用模型

本文以稀薄气－固两相湍流流动为研究对象，推导并模化了考虑固体颗粒存在时，气相的湍流模型方程，在拉格朗日方法中实现了气－固两相间动量、湍动能的相互作用。尤其是提出当量密度及当量耗散系数两个概念后，使模型方程的型式等同于标准Ｋ－ε模型，很适合工程应用。而气相对粒子湍流扩散的影响则由类似于布朗粒子扩散的ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ方法来描述，实现了对确定性轨道模型的修正。最后，对颗粒在网格后均匀湍流中的扩散规律及圆管内的气－固两相湍流进行了数值模拟，表明本文提出的模型及方法很有工程应用价值。     

水轮发电机组边界处理的一种简化模型

水电站水力过渡过程计算中常常出现缺乏机组资料的情况,以及水轮机特性曲线处理困难等问题。通过对水轮机过流特性的研究分析,采用阀门替代水轮机组的简化方法,推导出了分别适用于增、甩负荷两种情况的计算模型。实例验证分析表明,采用阀门模型替代水轮机组边界模型进行水力过渡过程计算,结果是准确可信的,能有效地满足工程设计的要求。     

一种适用于模拟水力机械内部流动的水平集-浸入边界法研究

该文提出了一种适用于数值模拟复杂水力机械内部三维不可压缩流动的水平集-浸入边界法。采用有限差分法和投影法对流体域控制方程进行离散求解,时间推进采用二阶龙格-库塔格式。在浸入边界点上压力和速度进行强制重构,以满足相应的速度和压力边界条件,进而实现了考虑固体结构边界的三维流场数值模拟。基于非结构三角形网格离散固体区域的复杂边界,通过搜索圆计算流固交界面附近一定距离内网格点至交界面的距离和采用射线法区分流体域和固体域,实现了一种利用水平集函数准确且快速捕捉复杂流固交界面的方法。通过一系列标准测试算例验证了算法的精度与鲁棒性,并应用于轴流泵泵段的三维模拟。结果表明,该文基于水平集的浸入边界法可以有效模拟固体运动下的三维流场,并适用于水力机械三维复杂流动。     

关于一种锁固段长度计算模型的讨论及连通率计算

连通率作为岩质高边坡稳定性分析中的一个重要指标,其估算一直是一个难点。在二维几何意义上的连通率计算当中,本文通过基于Laslett迹长估计模型,推导出了锁固段长度估计公式,建立了连通率计算公式,然后对公式成立进行了验证,最后讨论了公式在实际工程中遇到的3种情况的讨论,得出公式在第1、2种条件下适用,在第3种条件下误差偏大的结论。     

WCSPH方法模拟三角形底板水跃特性

使用弱可压光滑粒子动力学（weakly compressible smoothed particle hydrodynamics,WCSPH）方法,对弗劳德数Fr=1.68～6.08和不同波长与波高(S/t）之比的三角形波状底板上的水流流态、流速云图以及流速矢量图、共轭水深、消能率等水跃特性进行模拟研究。经对比分析：数值模拟结果与试验结果吻合较好;三角形波状底板表面会产生顺时针漩涡增加能量耗散,提高消能率,其水跃长度比光滑底板的小,且消能效果优于光滑底板。通过分析不同工况的水跃特性,确定了最佳三角形波状底板,其可使共轭水深和相对水跃长度分别降低14.15%和24.83%,而消能率比光滑底板提高48.52%。     

基于光滑粒子流体动力学方法的溃坝水流模拟

受全球气候变暖的影响,由极端天气引发的类似溃坝等问题发生的概率大大增加,深入研究溃坝水流的水动力特性势在必行。在分析光滑粒子流体动力学基本原理的基础上,提出了一种改进的边界处理方法,即将接近壁面的流体视为层流,在耦合动力边界附近引入层流黏性近似边界层理论。采用该方法对溃坝水流进行数值模拟,将SPH数值模拟得到的外轮廓、自由液面高度以及压力与实验结果进行了比较和分析。结果表明：改进的边界处理方法较完整地得到了水流与壁面相互作用而产生的多种复杂的物理现象,其外部轮廓与实验非常吻合;自由表面融合过程中液面间冲击的能量耗散会导致融合后的液面高度存在一些差异;不同监测点处压力随时间的变化基本落在置信区间之内。数值模拟结果与实验结果吻合度较高,验证了改进方案的可靠性和计算结果的准确性。     

模拟风沙运动的离散颗粒动力学模型

根据风沙运动的特点，建立了基于单沙粒动力学的离散颗粒动力学模型。依据该模型，模拟了9000个沙粒在风力作用下由静止不动到充分发展的稳定态的全过程，细致研究了沙床处于稳定态时床而形态，跃移轨迹以及跃移质／蠕移质间交换规律，所得结果有助于理解风沙运动的内部机理，这是目前常用的模型所做不到的。研究表明：离散颗粒动力学模型能够真实的模拟风沙运动现象，研究范围涉及风沙运动规律和床面形态的发生与发展等关键的问题，因而比其它模型更具优势。     

随机质点瞬时加速度谱的构建方法探讨

基于随机过程理论、应用统计学、随机信号分析理论,通过试验实时量测了5种不同流量条件下,顶冲角度分别为83.87°、54.82°、21.71°、2.24°时,不同断面水深对应的60余组瞬时流速信号,构建了随机质点瞬时流速概率模型,并以此推出了随机质点瞬时加速度谱概率模型及随机波列模拟方法。结果表明:基于赖斯白噪声理论的波动模拟新方法构建随机质点瞬时流速概率模型精准可靠,推求的随机质点瞬时加速度谱真实有效。     

二平行流之间幂率流体层流剪切流动的数学模型

非牛顿流体的平行剪切流动是一种在自然界和工程实践中常见的流动。本文应用流体力学和非牛顿流体力学理论，利用Ｐｒａｎｄｔｌ边界层方程，在未作任何其它假设的情况下，得出了幂率流体平行剪切层流流动时的相似变量，给出了两充体指数ｎ相同时的常微分方程和定解条件。     

基于EEMD与SE的IPSO-LSSVM模型在坝肩边坡变形预测中的应用

坝肩边坡变形在外部因素影响下呈现出不确定性和随机性,从而不易预测。基于聚类模态分解(EEMD)、样本熵(SE)和改进型粒子群算法优化的最小二乘支持向量机(IPSO-LSSVM)方法,提出一种名为EEMD-SE-IPSO-LSSVM的坝肩边坡变形预测模型。首先,利用EEMD将原始坝肩边坡变形时间序列分解为若干个不同复杂度的子序列,并基于SE判定各子序列的复杂度,将相近的子序列进行合并重组以减少计算规模;然后,分别对各重组子序列建立IPSO-LSSVM预测模型;最后,将各预测分量进行叠加重构,得到最终的大坝变形预测值。以澜沧江苗尾水电站左岸坝肩边坡为例,将BPNN、RBFNN、LSSVM、EEMD-SE-LSSVM与EEMD-SE-PSO-LSSVM进行对比研究。结果表明,该模型的计算精度优于其他神经网络模型,具有较好的适宜性和稳定性,是一种可靠的坝肩边坡变形预测方法,能够为大坝安全监测提供有价值的参考。     

混凝土坝变形Wavelet-EGM-PE-ARIMA组合预测模型

混凝土坝的总变形可以归结为由水压和温度变化引起的变形以及随时间发展的变形。其中,水压变形和温度变形体现为总变形中的周期性分量,而时效变形体现为总变形中的趋势性分量。借助复合建模思想,提出一种混凝土坝变形Wavelet-EGM-PE-ARIMA组合预测模型。首先利用小波多分辨分析功能,分解出大坝变形时间序列中的趋势性项、周期性项;其次,运用EGM模型实现对趋势性项的有效预测,采用周期外延模型实现对周期性项的有效预测,在此基础上,利用ARIMA模型实现对EGM模型和周期外延模型残差项的有效预测;最后通过某工程实例,检验所提出模型的有效性。计算结果表明:该组合模型充分考虑大坝各变形分量的变化规律,并基于此,实现对大坝变形时间序列有效的拟合和预测,且其拟合和预测精度均明显优于传统统计模型。     

基于二次曲面拟合的GBSAR大气扰动误差模型研究

大气扰动误差是地基合成孔径雷达(GBSAR)观测的主要误差之一,它与大气环境的变化密切相关,受大气扰动干挠影响随时间和空间的变化而发生改变。通过分析大气扰动误差在时间和空间上的变化特性,采用二次曲面函数建立大气扰动的分布模型,利用多个固定点解算模型参数,进而估算整个测区任意位置的大气扰动误差。试验结果表明,该方法有效改正了大气扰动误差,提高了GBSAR观测结果的精度。