一维水击波的高精度数值模拟

用本质无振荡ENO、TVD格式以及MacCormark和Lax-Friedrichs格式对一维水击模型进行数值模拟。结果表明,Lax-Friedrichs和二阶MacCormark格式在间断处有较大的数值耗散,计算精度较低,后者还存在明显的虚假数值振荡;TVD格式在光滑区具有高阶精度,在间断附近能在2个计算网格步长的范围内被光滑化,数值耗散较小;ENO格式数值解在间断附近无虚假数值振荡,数值解耗散很小,对间断具有较强的分辨能力和捕捉能力,能够很好地模拟水击波的变化过程。另外,ENO格式对计算网格的要求较TVD格式低,数值计算性能稳定。     

基于ENO格式的一维水击波数值模拟

选用近年来广泛应用于空气动力学和溃坝水力学的本质无振荡ENO格式,并采用平均通量差分分裂法对一维水击模型进行数值模拟,计算结果与解析解进行比较后表明:数值解在光滑区具有较高精度,数值耗散性小;在间断附近没有出现虚假数值振荡,与解析解符合较好,200 s与20 s计算结果基本保持一致。证明ENO格式稳定性能好,精度高,能够很好地模拟水击波的演进过程。     

考虑迎风性的高精度水击数值模拟

水击问题会对水利枢纽的正常运行造成严重危害,模拟其过程至关重要。考虑TVD格式及水流的迎风性,应用于水击方程组中,模拟简单管道中的水击压力变化。并与Lax-Friedrichs(LF)、Mac Cormark(MC)、未考虑迎风性的TVD格式及解析解进行对比。结果表明:基于迎风性的TVD格式具有高分辨率、高精度、低耗散性等优点,相比于未考虑迎风性的TVD格式,其有更强的压制性,耗散性更弱。     

TVD格式数值模拟水电站水击波新探

水电站有压管道水击波数值模拟十分重要,其计算方法一直都是重点研究方向,TVD格式是数值模拟水击波的新方法,特别适合数值模拟强间断问题。其限制函数是该格式的核心问题,具有四种不同形式,将其运用于水击方程,数值模拟阀门突然关闭时水击波压力变化,与解析解进行对比,以此探究限制函数类型对TVD数值模拟水击波结果的影响。结果表明:四种限制函数TVD格式的计算结果,在间断处避免了非物理振荡,Superbee型TVD格式的分辨率最高,推荐该限制函数数值模拟水电站水击波。更多还原     

TVD格式在上游调压室水击数值模拟中的应用

为了模拟含上游调压室水电站的水力过渡过程,采用TVD格式求解水击方程,并结合调压室系统的基本方程组和给定的边界条件来模拟水击压力变化。将此方法用于工程实例,其计算所得的水头与实测水头相吻合;并将计算所得的水头与MacCormark 格式和Lax-Friedrichs格式的计算结果比较,结果表明：TVD格式能有效模拟含上游调压室的水击现象,其结果具有耗散性低,不产生虚假数值震荡,计算精度高等优点。     

水击波数值模拟中高分辨率TVD格式优选

TVD方法特别适合数值模拟双曲型偏微分方程间断波问题,选用4种典型的TVD格式应用于水击方程的数值模拟。通过水击实例计算,将数值结果与理论解比较,揭示4种不同构造形式的TVD格式在捕捉水击波方面耗散性和压制性数值性能的差异,且TVD格式均优于常规的差分方法;改变计算库朗数条件下的计算结果表明:Harten修正通量TVD格式、TVD-MC格式以及全离散TVD格式在大范围库朗数条件下计算稳定性较差,优选Sweby反扩散TVD格式模拟水击,其计算稳定性良好,精度较高。     

水击特征线计算中重分阻尼系数的时步处理方法

特征线法最早是由Ｇｒａｙ提出来的．后来Ｅ．Ｂｅｎｊａｍｉｎ　Ｗｙｌｉｅ和 Ｖｉｃｔｏｒ Ｌ．Ｓｔｒｅｅｔｅｒ在他们的《瞬变流》一书中进行了比较系统的阐述，从２０世纪７０年代开始，随着计算机的迅速发展、特征线法在管道的瞬变流计算中得到广泛的应用．与其他方法相比，特征线方法具有精度高、边界条件简单、可以处理复杂的管网系统和利于电算的优点．由于特征线法是采用的差分计算，必须使用统一的时间步长，这在简单管中很容易满足．但对于由多段管道和不同特世的管道组成的复杂管道系统来说，要特征线法满足所有的管道采用同样…     

水电站管道水击计算的自适应网格法

中首次将自适应网络方法应用于水电站管道水击计算中，通过与水击的特征线法计算结果相比较，其结果更加真实合理，研究表明，这种新的研究方法对整个模拟区域间断的捕捉具有良好的适应性，提高了数值计算的精度。     

泄洪洞工作闸门开启时水击数值模拟研究

泄洪洞工作闸门运行过程中有可能产生水击,目前没有受到重视。应用特征线法数值模拟青海省某水电站泄洪洞工作闸门开启时闸前水击的变化过程,结果表明:(1)工作闸门匀速开启的方式可导致泄洪洞内产生水击,水击产生于闸门开启的初始阶段,水击压强振幅呈对数规律衰减;(2)工作闸门非匀速开启方式对泄洪洞非恒定流有重要影响,闸门开启速度先慢后快的运行方式可有效减小水击压强振幅,降低闸门振动的可能性,工作闸门以适当的加速度开启时可消除水击现象,彻底避免水击引起的闸门振动,排除这种泄洪安全隐患。     

阀门关闭速度对TVD格式数值模拟水击影响分析

采用总变差减小（TVD）格式模拟了一维有压管道水击过程,对管道中阀门突然关闭和缓慢关闭引起的水击压强进行了数值计算。通过改变阀门关闭速度,分析TVD格式对水击数值模拟精度的影响。结果表明,与传统经典差分二阶MC格式相比,阀门关闭速度越快,TVD格式捕捉激波间断的能力越强,模拟水击波效果越好;当阀门关闭速度缓慢到一定程度,TVD格式与MC计算方法所得结果基本吻合,与解析解最大误差不超过2%。说明TVD格式是数值模拟水击现象行之有效的方法之一。     

Comparison between wave generation methods for numerical simulation of bimodal seas

This paper describes an investigation of the generation of desired sea states in a numerical wave model. Bimodal sea states containing energetic swell components can be coastal hazards along coastlines exposed to large oceanic fetches. Investigating the effects of long-period bimodal seas requires large computational domains and increased running time to ensure the development of the desired sea state. Long computational runs can cause mass stability issues due to the Stokes drift and wave reflection, which in turn affect results through the variation of the water level. A numerical wave flume, NEWRANS, was used to investigate two wave generation methods: the wave paddle method, allowing for a smaller domain; and the internal mass source function method, providing an open boundary allowing reflected waves to leave the domain.The two wave generation methods were validated against experimental data by comparing the wave generation accuracy and the variance of mass in the model during simulations. Results show that the wave paddle method not only accurately generates the desired sea state but also provides a more stable simulation, in which mass fluctuation has less of an effect on the water depth during the long-duration simulations. As a result, it is suggested that the wave paddle method with active wave absorption is preferable to the internal wave maker option when investigating intermediate-depth long-period bimodal seas for long-duration simulations.     

抽水井非达西流问题两种数值模拟方法比较研究

总结了目前井孔—含水层系统处理的两种主要方法——等效渗透系数法和多流态耦合模拟法;基于流量守恒原理和雷诺数理论给定了不同流态分区范围,改进了多流态耦合模拟法,并在此基础上利用上述两种方法模拟了理想条件下的抽水井—含水层系统,利用解析解模型验证了数值模型的基本精度。结果指出,当径距大于含水层厚度时两种方法的差别较小,都能取得较好的结果;当径距小于含水层厚度时,等效渗透系数法能更合理地描述井管中的紊流状态及紊流情形下的水头损失,因此能更合理地描述井孔内部及其周边水头的分布。     

控制水锤波速方法的分析

模拟水锤波速是有压引水系统水力过渡过程水工模型试验的技术关键之一。本文对控制模型试验中水锤波速的几种方法进行讨论分析,在此基础上提出在模型管道中放置高弹性细管以降低波速的方法,并指出应该进一步通过模型试验研究此种方法的机理和各相关因素对波速的影响,以提供一种更有效的降低模型管道中水锤波速的方法。     

长江口福山倒套河段水动力数值模拟

引江济太工程水源地位于长江澄通段的福山倒套内,但倒套目前处于淤积阶段,水源地存在安全隐患.结合实测资料及环境水动力学数学模型(EFDC)对该区域的潮流进行了计算,计算结果与实测结果比较表明:模型较好地重演了福山倒套流场,可以对研究区域水动力状况进行预测研究.利用上述模型对福山倒套水动力状况进行数值模拟,结果表明:①倒套内部水位降低,但变化不明显;②倒套内部流场流速整体下降,尤其是倒套口门处流速值减小较大;③倒套虽然处于淤积阶段,但倒套口门段较为稳定.因此,适时疏浚上部串沟是维持倒套稳定之关键.     

Progress in numerical simulation of cavitating water jets

This paper reviews recent progress made toward modeling of cavitation and numerical simulation of cavitating water jets. Properties of existing cavitation models are discussed and a compressible mixture flow method for the numerical simulation of highspeed water jets accompanied by intensive cavitation is introduced. Two-phase fluids media of cavitating flow are treated as a homogeneous bubbly mixture and the mean flow is computed by solving Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations for compressible fluid. The intensity of cavitation is evaluated by the gas volume fraction, which is governed by the compressibility of bubble-liquid mixture corresponding to the status of mean flow field. Numerical results of cavitating water jet issuing from an orifice nozzle are presented and its applicability to intensively cavitating jets is demonstrated. However, the effect of impact pressure caused by collapsing of bubbles is neglected, and effectively coupling of the present compressible mixture flow method with the dynamics of bubbles remains to be a challenge.     

阳澄湖水环境改善数值模拟研究

近年来,阳澄湖水质常年劣于Ⅳ类,水质不容乐观,与其战略性水源地的地位极不适应。七浦塘是阳澄湖区域骨干通江河道,本文结合七浦塘综合整治工程,应用数值模拟方法,设计不同工况,对七浦塘引水规模及阳澄湖水环境改善情况进行了研究。结果表明:不同引水规模72 h均能基本趋于稳定,当入湖流量增加至100 m3/s,水质改善幅度最为明显,因此引水时长72 h,引水规模100 m3/s为较优的调水方案。水质污染突发事件发生时,七浦塘引长江水入阳澄湖后,湖体流动明显增强,全湖平均流速增加0.7 cm/s,TN、TP平均浓度分别下降59.83%和65.29%,阳澄湖水质改善效果明显。     

空气阀在长距离输水系统中的水锤防止作用

空气阀在长输水管道中起着重要的防护水锤作用,可以有效地控制输水系统中产生的负压.对空气阀进、排气过程的准确模拟,直接关系到整个供水工程的安全.分析了空气阀的工作机理,并针对长距离、多支路、密闭式输水系统建立了空气阀的数学模型.同时,结合工程实际,利用特征线方法,对阀门关闭和事故停泵过渡过程中空气阀的防止作用进行了计算分析.结果发现,合理布置空气阀,可以有效地抑制输水系统中液柱分离现象的发生,保证输水系统安全.     

三维圆柱绕流数值模拟湍流方法的选择

研究湍流模拟方法对三维圆柱绕流数值模拟精度的影响,分别采用雷诺平均法（RANS）中的κ-ω模型、SST模型以及大涡模拟法（LES）对亚临界区内雷诺数Re=3 900时的三维圆柱绕流进行数值计算,分析了圆柱体表面的受力、圆柱后流场时均速度特性与瞬时涡量分布情况。结果表明,当流体流过圆柱表面时,圆柱表面出现的与流速方向相反的负压力差区域使流体从圆柱表面分离,引起了不稳定的周期性交替脱落的湍流涡泄,从而在圆柱表面产生周期性波动的升力,同时在圆柱后近流场区域形成回流区。研究还发现,LES法对圆柱体的受力以及流场时均速度特性的模拟效果要优于κ-ω模型与SST模型;相较于前人利用浸入边界法得到的模拟结果,LES法的模拟精度也有了较大提升;同样,通过对瞬时流场涡量等值线图的分析,并与已有的模拟结果进行对比,发现LES法不但可以从整体上表现出漩涡的周期性脱落,而且对流场中不同位置的、复杂的小尺度湍流涡泄也描述得非常细致,得到的自由分离剪切层长度与湍流涡泄的卷曲度更符合湍流涡泄的特征。所以,在亚临界区,LES法对湍流的模拟效果相对较好。