裁弯对上下游流态影响的三维数学模型研究

裁弯是弯曲型河道演变发展以及河道整治工程中十分常见的现象.裁弯会对上下游河道产生较大影响.本文利用数学模型.采用带旋流修正的紊流模型,同时借助VOF方法描述自由表面,对三个连续畸弯的水流结构进行数值模拟,分析比较了两个裁弯工况对上下游河道的水流结构的影响.计算结果表明:裁弯对上游河道的影响明显大于下游,具体表现为裁弯明显加大了上游垂线平均流速,增大范围与裁弯幅度呈正比,与离开裁弯点的距离呈反比,上游弯道的环流强度同时减弱;裁弯使下游河道纵向流速沿横向分布趋于均匀,影响程度也由裁弯点至下游逐步减弱.     

具有弯道的竖井式出水口水流均匀性研究北大核心CSCD

竖井式出水口水流受弯道段和竖直段影响,竖井周边各分流孔出流不易调整均匀,同时分流孔底板附近易出现反向流速。本文在数学模型得到试验验证的基础上,采用RNG k-ε紊流模型,对具有弯道的竖井式出水口流动特性进行三维数值模拟,分析了弯道段体型和竖直段长度对出流均匀性的影响。计算结果表明,渐缩弯道与等直径弯道比较,当竖直段长度均为2D(D为竖直段直径)时,渐缩弯道的竖井式出水口各分流孔出流较均匀;若采用等直径弯道,对应竖直段的长度增加6D^8D时,其出流均匀程度与渐缩弯道的相当。研究成果对抽水蓄能电站竖井式进/出水口的设计具有指导意义。     

大型立式泵站簸箕型进水流道三维紊流数值模拟

针对典型的簸箕型进水流道 ,应用紊流模型对流道内部流态及水泵吸水管各断面流速分布进行了数值模拟 ,计算结果符合实际情况。数值计算揭示了簸箕型进水流道内流动规律 ,进水流道吸水管下方存在奇点 ,如相关设计参数不当易产生漩涡。根据计算分析 ,提出大型泵道簸箕型控制参数 ,对于工程设计有重要参考价值     

分汊河道水流运动特性研究

在边界拟合正交曲线坐标系下,运用同位网格模式和界面动量插值的条件建立了二维水流数学模型,采用天然河段的实测资料对模型进行了验证。运用该模型研究了长江中游弯曲型分汉河道分流区在不同流量情况下水流运动与挟沙力因子的变化规律,为研究三峡蓄水后对坝下游河道的影响提供了研究手段。     

三维混合层的直接数值模拟和实验验证

为了验证直接数值模拟三维中低流动雷诺数湍流的正确性和可靠性,该文采用拟谱方法对三维平面混合层流场进行了直接数值模拟,并将数值模拟得到的结果与Lasheras等的平面混合层经典实验结果进行了对比.定量比较了流场不同断面的流向速度平均值、脉动强度、混合层的动量厚度及涡量厚度等流动量.结果表明,直接数值模拟的结果与实验结果吻合良好,证明了直接数值模拟中低三维混合层的正确性和有效性,为扩大直接数值模拟的应用打下了基础.     

基于无结构、σ坐标网格的半隐式三维水沙数学模型Ⅱ-验证

将文章Ⅰ建立的平面无结构、垂向σ坐标网格上的三维自由水面水沙数学模型与几个类似模型进行了比较,并从水流、泥沙两个方面对模型进行了验证。借助天然感潮河道水流运动实测资料对水流模型进行了测试,采用净冲刷实验、梯形断面丁坝局部冲刷实验资料和天然潮沟冲刷现场观测资料对泥沙模型进行了验证,计算结果与解析解、实验资料和天然观测资料符合良好,表明本文模型能较准确地模拟实验水槽及天然河流中的水沙运动。     

复杂地形尾矿库三维渗流场的数值模拟

采用有限元对复杂地形的尾矿库渗流场进行数值模拟分析时,提出了三维数值模型概化的新方法：将地形剖面上的主要控制点拟合成曲线,然后再将曲线拟合成曲面,最后由曲面生成概化的三维数值模型。在此基础上进行了某尾矿库的三维渗流场计算,计算结果与该尾矿库的实测资料吻合良好,表明了模型概化的合理性。     

边界元—模拟电磁荷法解三维涡流场

本文提出了计算三维涡流场的边界元—模拟电磁荷法,它适用于线性媒质而形状较任意的情况。联立方程待解未知量全部为边界标量、即模拟电磁荷双层源。其优点是可以节省计算机容量和时间。对于涡流区,所用格林函数不仅满足赫尔姆霍兹方程而且满足div B=0。对该区,由于模拟电磁荷位于边界以外附近,故电磁荷至各观察点距离均不为0,奇点问题可以得到解决。文中有计算举例。外加均匀场中导体球内场的计算值与理论值符合得较好。     

鱼背山水库岸边阶梯溢洪道流场的三维数值模拟

本文采用κ-ε双方程紊流模型，针对复杂曲线自由水面和边界条件，分别引入适用于分层两相流的流体体积分数（VOF）模型求解曲线自由水面和非结构网格来划分三维计算区域，成功地对鱼背山水库岸边阶梯溢洪道流场进行了三维紊流数值模拟，得到了溢洪道沿程的自由水面位置，速度大小而分布，阶梯面上的压力，流场的紊动动能和紊动耗散率分布等重要流场特性，尤其是各种特性参数沿溢洪道宽度方向的变化和分布，利用上、下游的水深和流速计算了阶梯溢洪道的消能率，对阶梯溢洪道的紊流数值模拟研究做了一些开拓性工作。     

三维静电场边界元法的积分精度问题

研究边界元法中高斯积分精度发现高斯积分的误差随源-场点间距离R的增大而减小,随高斯积分点数n的增加而减小,随角度的变化而变化,θ=90°、φ=0°时误差最大。据此提出高积分精度的积分判据及在判据内改善积分精度的方法。计算分析了奇异积分的高斯积分精度并从量值上反映高斯积分解决奇异积分的可靠性。     

汇流区流态及工程整治方案的数学模型研究

两流交汇是自然界最普遍的流动现象,汇流区的流态和水沙运动规律复杂,对市政规划、河道变化、生态环境等都具有重要的影响。本文以哈尔滨市三家子河段整治为例,采用二维k-ε模型研究了汇流区的流态,提出了优化堤线方案。计算结果表明:优化方案对防洪水位的影响很小,水流流态没有明显的改变,且堤线顺应河势、排漂导流合理,有利于工程区的景观和生态环境。研究成果对类似的工程具有参考价值。     

一维河网模型断流问题研究

在枯水季节的河网中,常常存在断流的问题。为了计算河网区域水沙数学中断流对分流量以及冲淤量的影响,本文提出了一种修正零流量法来模拟河网中的断流现象。该方法综合了虚拟断面法和零流量法的优点,可以根据断流判定条件修正汊点矩阵。这种新的断流计算方法被应用于荆江洞庭湖河网区域,模拟了三口的分流规律,并取得了较好的结果。该方法可以有效避免虚拟断面法枯水季分流量过大和零流量法易致汊点矩阵奇异。     

川中丘陵区小流域分布式水沙模型

以川中丘陵区的解家湾小流域为研究对象,将分布式水文模型与土壤侵蚀产沙模型嵌套,构建了解家湾分布式流域水沙模型。模型基于DEM将流域离散为＂坡面＋沟道＂系统,利用数理方程描述流域水沙过程,坡面单元模拟了降雨、截留、蒸散发、入渗、地表径流、壤中流和地下水、侵蚀产沙过程,沟道单元模拟了汇流演算以及泥沙输移过程。在解家湾小流域的率定和验证结果表明,模型结构合理,水文模块精度良好,侵蚀产沙模块令人满意。通过对不同工况下径流过程的模拟,对径流参数的敏感性进行了检验,表明饱和导水率是模型敏感参数,植被截留影响较小,土壤前期含水量影响壤中流。     

长江重庆河段平面二维非恒定水沙数值模拟

本文针对长江重庆河段复杂的水沙运动特点和地形条件,考虑悬移质和推移质运动,采用有限元方法建立了平面二维非恒定水沙数学模型,对重庆河段的水流运动和泥沙冲淤进行了模拟。模型中采用张红武提出的不平衡输沙理论以及引入符合重庆河段水沙特点的悬移质挟沙力公式和推移质输沙率公式,对现有三峡库区数学模型进行了改进,并利用重庆河段正态模型试验和原型观测资料对模型进行了验证。结果表明,模型计算的沿程水位、断面流速分布和河床冲淤变化与资料符合较好。     

轴流式水轮机内三维空化湍流的数值研究

采用一种完整空化模型和一种混合流体两相流模型,对轴流式水轮机全流道内的定常空化湍流流动进行了数值模拟。根据模拟结果,考察了水轮机在低尾水位下运行时流道内空化发生的部位和程度,并对水轮机的空化性能进行了预估。数值预测的空化流动现象与模型水轮机空化试验中所观察到的现象基本一致,说明数值模拟结果可为水轮机的空化性能预测提供参考。     

多通道蛇形流场PEMFC内传递现象的数值模拟

电极板上的流场构型对质子交换膜燃料电池的流动特性和电池效率有重要的影响。为研究多通道蛇形流场设计质子交换膜燃料电池的局部流场、电流密度和组分浓度等的空间分布,应用作者前期发展的基于计算流体力学的三维稳态数学模型,对一个小型电池单体(电极面积大小为5.9cm×6.1cm)进行了详细的数值模拟,讨论和分析了该设计的流动特性和传输机理。结果表明:电池的电流密度分布比较均匀,阴极的压力损失要比阳极大得多,阳极氢的质量分数从流动入口到出口基本呈现增大趋势。     

基于SCHISM模型的三维两相浑水模型研究

传统水沙模型多采用雷诺平均方程结合含沙量对流扩散方程，并用纯水紊流模型进行封闭。这类模型无法考虑固、液相间作用，在含沙量较大、颗粒粒径较粗时会产生误差。文章采用两相浑水紊流模型对两相浑水基本方程进行封闭。两相浑水理论将固、液两相流看作一个整体，但考虑了固、液相间作用和颗粒碰撞等微观物理机理，而且偏微分方程的数量和形式与传统水沙模型中的基本方程相同，方便将两相浑水理论嵌入至已有的水沙模型中，并应用于河流、湖泊和河口等大尺度水沙流动模拟。首先对两相浑水理论进行梳理，将其转化为三维水动力学模型SCHISM控制方程的形式并嵌入至SCHISM模型中，最终将其应用在经典的二维明渠恒定、均匀流实验、深槽实验和2012年黄河花园口至艾山段洪水过程的三维数值模拟。     

信号距离度模型及其波形复杂信号辨识

针对快速辨识波形奇异、变化复杂的信号的要求,构造了表征离散信号差异性的信号距离函数、信号距离度函数,给出了信号距离的性质,定义了多元素信号集的距离度空间、距离度矩阵,最终建立了算法简单的信号距离度模型体系。在电网故障暂态电流的辨识选线中应用的实例,证明了信号距离度模型的有效性和鲁棒性。实验结果也表明,利用信号距离度模型能够准确的辨识波形复杂的信号,为实用化的系统辨识和故障诊断提供了一种有效途径。     

浮标追踪在水动力数学模型验证中的应用

针对常规水动力数学模型验证资料的不足,采用数值模拟追踪浮标与河道内投放物理浮标对比的方法进行模型验证。结果表明,如所建一维感潮网河非恒定水流数学模型能够较好的模拟所在网河区的水流往复运动规律,在水文站点的水位、流量实测值与计算值基本吻合的同时,数学模型中投放的数字浮标与实际网河中的物理浮标两者的运动轨迹在相位和振幅两个方面也能够基本保持一致,说明浮标追踪法在水动力数学模型的验证中具有较好的应用价值,且该法可同时从时间和空间两方面完成模型的验证,对完善和发展水动力数学模型具有重要的作用。