泄槽体型对溢洪道泄流能力的影响

以密云水库第一溢洪道为例,利用经验公式、数值模型、物理模型试验模拟三种方法研究了收腰与等宽两种泄槽体型溢洪道的典型库水水位对应的最大泄量,讨论了下游泄槽体型对泄流能力的影响,对比了三种方法计算结果的准确性。定量分析结果表明:溢洪道泄流能力受泄槽体型的影响,等宽泄槽比收腰泄槽泄流能力强,推荐采用等宽泄槽方案;经验公式计算的泄流能力偏差较大,数值模型模拟结果偏差较小且偏于保守,建议大型水利工程前期论证均采用数值模拟的方法,从而保证水库防洪安全。     

变质量体积SPH方法在Poiseuille流模拟中的应用

基于SPH方法(光滑粒子流体动力学)的基本原理,提出一种变质量体积的SPH方法。通过对变质量体积区域粒子采用双重标记的方法,模拟了Poiseuille流的运动过程,并将模拟结果与Poiseuille流的级数解和传统SPH方法数值模拟结果进行了比较,结果表明采用变质量体积SPH方法得到的模拟结果更接近于级数解。该方法为模拟水流与小尺度构件的相互作用等复杂流固耦合问题提供了一种有效的研究思路。     

基于SPH方法的二维宽顶堰溢流数值模拟

光滑粒子水动力学方法(SPH)是一种基于纯拉格朗日思想的无网格粒子方法,在众多科学和工程领域得到了初步应用。采用SPH方法对二维宽顶堰溢流进行了数值模拟,并利用机群进行并行计算来提高计算效率,将模拟数据与试验数据进行了对比。结果表明,SPH方法可以模拟出二维宽顶堰自由出流和淹没出流时水流流态、水跌、回流区、水跃现象,计算出溢流流量、流速等水力参数,并且采用数据拟合得出与理论相符的断面流速分布图。结果表明了SPH方法可以较好模拟二维宽顶堰溢流中的流速分布以及水面曲线。     

微型桩处置堆积层滑坡室内模型试验研究

通过微型桩分别加固黄土、膨胀土堆积层滑坡的物理模型试验,研究了加固两类滑坡时微型桩的作用机理以及受力变形的差异。分析微型桩试验监测数据,以桩顶位移作为主要考虑因素,同时兼顾桩前土压力和桩身弯矩的比例关系,给出了便于设计加固方案时采用的参照系数及其取值范围。研究结果表明：当桩顶位移过大时,滑面处桩身弯矩迅速增大直至桩体破坏失效;在相同桩间距、排间距、锚固深度和布设形式的情况下,微型桩加固两类滑坡的参照系数在1.45~2.45间取值。 〖HT5”H〗关〓键〓词：〖HT5”K〗     

光滑粒子水动力学在水利与海洋工程中的应用研究进展

将光滑粒子水动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)在水利及海洋工程中的应用分为纯水流模拟、流固耦合模拟、泥沙模拟和水气两相流模拟4大类问题,系统地介绍了SPH在解决这些问题时的技术手段与研究现状,指出了SPH独特的计算方法及其在处理无反射造波、进出流边界、流固界面运动、底床冲刷等问题中面临的困难,阐述了不同类型的SPH模型的优缺点,总结了SPH在过去十几年的发展特点,并提出未来SPH在水动力学领域的发展方向应该集中在开发高精度与高效率的新算法模型、成熟的紊流模型和高效的并行计算模型方面。     

基于扩展多面体单元的DEM-SPH耦合算法及应用

对于颗粒材料与流体介质的动力作用可分别通过离散元方法(Discrete Element Method, DEM)和光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)模拟颗粒和流体,并采用DEM-SPH算法计算两种介质间的耦合作用。当颗粒材料采用多面体单元进行模拟时,颗粒单元与流体之间会形成几何形状复杂的流固耦合界面,不宜采用计算效率较低的传统边界粒子方法。为此,该文基于Minkowski Sum方法构造扩展多面体单元,并通过Hertz接触模型计算单元间的接触力,进而建立基于扩展多面体单元的DEM方法;流体介质采用弱可压缩格式的SPH方法。将几何复杂的流固界面耦合作用近似为排斥力模型,从而只对SPH粒子与固体界面进行几何判断即可确定两者的相互作用力。该方法避免了对大量边界粒子进行的相关计算,具有计算简便且适用于复杂固体边界的优点。该文进一步采用基于GPU的并行算法从而实现DEM和SPH的高性能计算以提高DEM-SPH耦合的计算效率。采用以上方法对方柱绕流和溃坝冲击块体过程进行了数值计算,并与相关试验数值和计算结果进行了对比验证,一致性很好,进而说明了该文建立的DEM-SPH耦合方法对颗粒材料与流体介质相互作用数值模拟的合理性和准确性。     

液滴冲击固体表面的光滑粒子动力学模拟

液滴冲击固体表面的现象广泛地存在于自然界和工业生产中,深入研究液滴冲击固体表面现象对环境工程、微纳米工程以及医药工程等领域有着十分重要的指导作用.该文采用光滑粒子动力学方法(SPH)对液滴冲击固体表面的现象进行了数值模拟.SPH方法是一种纯拉格朗日形式的无网格粒子方法,可以很容易的处理大变形、可变形边界、追踪自由表面以及运动界面.为了提高传统SPH方法的计算精度和数值稳定性,该文在传统SPH方法的基础上对粒子方法中的核梯度进行了修正,采用粒子间相互作用力的形式来模拟表面张力,应用改进的SPH方法对液滴冲击固体表面进行了数值模拟.计算结果表明,改进的SPH方法能够精细地描述液滴冲击固体表面所产生的铺展和飞溅等动力学特性,得到了稳定精确的结果,数值模拟结果与实验观察结果吻合较好.     

基于SPH方法的溃坝流动数值模拟

应用光滑粒子流体动力学方法对溃坝问题进行了数值模拟,在现有SPH 方法的理论基础上对密度近似方程进行了重新初始化处理,分析了密度重新初始化对溃坝流动问题的影响,并对SPH数值模拟所得到的结果与试验结果以及移动粒子半隐式方法得到的计算结果进行了比较和分析.结果表明,对密度近似方程进行重新初始化保持了流场内的质量守恒,同时整个计算域内的压力分布更加规则,SPH方法数值模拟得到的结果与实验结果和MPS方法得到的结果非常吻合,验证了改进方案及所编程序的可靠性和计算结果的准确性.     

基于RNG k-ε紊流模型的溢洪道水力特性数值模拟

为分析溢洪道的水力学特性,基于VOF法和RNG k-ε两方程紊流模型,根据溢洪道的布置方案,对不同水位工况下溢洪道的水力学问题进行数值模拟研究,分析溢洪道的水流流态、泄流能力、水面线、挑距和消能率。数值模拟结果表明：溢洪道水流流态平顺,无严重摆动和激荡现象;边墙设计高度均大于校核水深与安全加高之和;数值计算的泄流量较规定公式计算结果大;库水位越高挑距越大,消能率越高。     

基于MLSPH方法的自由表面流动数值模拟

光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynam ics,简称SPH)方法是一种Lagrange无网格粒子方法。SPH方法在解决自由表面流动问题时具有明显的优势,但同时也出现了计算精度低和稳定性较差的缺点。利用移动最小二乘SPH方法对自由移动粒子的密度进行周期性修正,模拟了二维溃坝自由表面流动,并将结果与传统SPH方法的模拟结果相比较。结果表明,移动最小二乘SPH方法降低了压力振荡,提高了计算精度,从而验证了此方法的有效性。     

Tracking methods for free surface and simulation of a liquid droplet impacting on a solid surface based on SPH

With some popular tracking methods for free surface, simulations of several typical examples are carried out under various flow field conditions.The results show that the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method is very suitable in simulating the flow problems with a free surface.A viscous liquid droplet with an initial velocity impacting on a solid surface is simulated based on the SPH method, and the surface tension is considered by searching the free surface particles, the initial impact effect is co...     

基于SPH方法挑流水舌的数值模拟研究

以数值模拟挑流水舌的运动特性为目标,采用光滑粒子动力学方法,根据水气两相流的运动规律,建立掺气水舌的SPH数学模型,根据空气阻力的作用特性和自由表面判据,得到了空气阻力的计算关系式,提出了掺气水舌的SPH数值解法。针对桓仁水电站泄洪雾化,进行了掺气水舌的SPH数学模型实例研究,所得到的光滑粒子运动图像刻画了挑流水舌与空气的相互作用,模拟了挑流水舌的掺气过程,并得到了掺气水舌的厚度和速度随其曲线长度的变化关系。结果表明,桓仁水电站挑流水舌的外缘挑距模拟值为82.2 m,原型观测数据为80.2 m,计算误差为2.49%。掺气水舌的挑距模拟值与其原观值基本一致,证明了掺气水舌SPH数学模型模拟挑流水舌运动的有效性和可靠性。     

淤地坝柔性溢洪道泄流模型试验研究

本文提出了一种新型复合PET材料以及柔性溢洪道布置型式,该材料具有良好的抗水流冲刷及防止土颗粒流失特性。进行了光滑、台阶两种型式柔性溢洪道泄流模型试验,作为对比试验还进行了无防护条件的坝体泄流模型试验。对比分析了光滑及台阶溢洪道的泄洪水流流态、消能率,结果表明柔性台阶溢洪道消能率明显高于光滑溢洪道。泄流前、后溢洪道的变形结果表明,两种溢洪道变形都很小,未发生破坏,结构稳定性良好。综合分析认为,柔性台阶溢洪道更适合工程应用。无防护条件的坝体泄流试验表明,在没有溢洪道保护的条件下,土坝坝体是不具备过水能力的,溢洪道保护坝体的作用明显。研究结果对柔性溢洪道向淤地坝工程推广提供了技术支撑。     

基于SPH方法的阶梯式溢洪道消能特性研究

为了研究阶梯式溢洪道的消能特性,本文通过二维建模的方式,利用光滑质点水动力学方法(SPH)对31阶阶梯式溢洪道的水流进行数值模拟,将模拟值与试验值进行了对比,并针对2种台阶数目和4种单宽流量共计8种工况,对不同工况的阶梯式溢洪道沿程水深、水流流速以及消能率进行了分析。结果表明,31阶阶梯式溢洪道水流的水面深度、流速和压强模拟值与试验值吻合较好;36阶和60阶阶梯式溢洪道沿程水深和水流流速与单宽流量呈正相关趋势,随着单宽流量的增加而增大,且在水流稳定之后,水面深度和流速都会维持在某一个值附近;而阶梯式溢洪道消能率沿程逐渐增大并在最后一级台阶处达到最大值。同时,当溢洪道体型一定,消能率随着单宽流量的减小呈上升趋势,当单宽流量减小至0.1283m2/s,36阶和60阶阶梯式溢洪道的消能率分别达到了83.67%和82.86%。     

基于SPH的台阶式溢洪道最优消能率参数研究

为研究台阶式溢洪道的消能规律,明确台阶式溢洪道的最优消能率参数,利用DualSPHysics对台阶式溢洪道水流特征进行模拟,并通过与典型案例的对比分析验证了SPH方法对台阶式溢洪道水流模拟的适用性与准确性,模拟结果表明SPH方法可以较好地模拟台阶式溢洪道上的水流特征。通过建立不同单宽流量、台阶段坡度和台阶数目的共计288种工况对台阶式溢洪道消能规律及其影响因素进行了研究。结果表明：在其他条件一定的情况下,台阶式溢洪道的消能率与单宽流量呈负相关关系;台阶数目对台阶式溢洪道消能率的影响并不显著,但是存在一个台阶数目能使台阶式溢洪道的消能率达到最大值,该最优消能率对应的台阶数目在78~81阶范围内,此结论对指导实际工程应用有一定的参考价值。     

Smoothed particle hydrodynamics and its applications in fluid-structure interactions

In ocean engineering, the applications are usually related to a free surface which brings so many interesting physical phenomena(e.g. water waves, impacts, splashing jets, etc.). To model these complex free surface flows is a tough and challenging task for most computational fluid dynamics(CFD) solvers which work in the Eulerian framework. As a Lagrangian and meshless method, smoothed particle hydrodynamics(SPH) offers a convenient tracking for different complex boundaries and a straightforward satisfaction for different boundary conditions. Therefore SPH is robust in modeling complex hydrodynamic problems characterized by free surface boundaries, multiphase interfaces or material discontinuities. Along with the rapid development of the SPH theory, related numerical techniques and high-performance computing technologies, SPH has not only attracted much attention in the academic community, but also gradually gained wide applications in industrial circles. This paper is dedicated to a review of the recent developments of SPH method and its typical applications in fluid-structure interactions in ocean engineering. Different numerical techniques for improving numerical accuracy, satisfying different boundary conditions, improving computational efficiency, suppressing pressure fluctuations and preventing the tensile instability, etc., are introduced. In the numerical results, various typical fluid-structure interaction problems or multiphase problems in ocean engineering are described, modeled and validated. The prospective developments of SPH in ocean engineering are also discussed.     

小石峡水电站溢洪道消力池结构优化的三维数值模拟

以新疆小石峡水电站为例,采用FLUENT软件、RNGk-ε紊流模型及VOF方法相结合处理了自由水面,并对溢洪道的流场进行了三维数值模拟,得到了优化溢洪道在设计流量1 856.2 m3/s时的泄流流态,并将消力池段自由水面线、底板压强、断面流速与模型试验结果进行了比较,结果表明数值模拟结果与模型试验结果吻合较好。     

用蒙特卡罗法解堰闸流动

本文首次运用不规则游动网格的蒙特卡罗方法求解堰闸流动问题.根据蒙特卡罗方法可以独立计算区域内任一点值的特点，提出了相应的自由表面和流量的迭代计算方法.经过多组计算表明，本文方法灵活、快速，流量系数、堰面压力分布的计算值与试验值吻合良好，为蒙特卡罗法求解有自由表面的流动问题取得了成功的经验。