一种新的高精度的溃坝水流数值模型

溃坝问题，严格来讲，是一种不连续洪水波问题．传统的水流数值模型都是建立在数值求解圣维南方程组基础上的，而该方程组的基本假定就是水流必须具有连续性，所以，以圣维南方程为基本控制方程的水流数值模型应用于溃坝问题的计算是非常牵强的．提出一种新的以描述分子运动的BGK波尔兹曼方程为基础的水流数值模拟方法，这种方法没有水流连续性假定，计算表明，这种数值模型能够精确、稳定地模拟溃坝波问题。     

以波尔兹曼理论建立明渠水流数值模型方法

根据文献[1]所论述的以波尔兹曼方程建立明渠水流模型的理论及明渠水流中微、微观变量之间的基本关系，采用有限体积离散方法，探讨了BGK明渠水流数值模型的方法，初步建立了不同于传统方法的、满足熵原理的BGK明渠水流数模型，通过对一系列典型的明渠水流现象的模拟，并对理论解，其它计算方法获得的解决以及公开发表的实验结果相比较，表明所提出的模型计算精度高，、稳定性好，勿须人为的熵修正（如人为增加耗散项）、能准确模拟明渠中不连续水流运动（如溃坝波等），不会出现非物理性的震荡，是一种颇具开发前景的明渠水流模型。     

以波尔兹曼方程建立明渠水流模型的理论基础

针对传统模拟明渠水流方法所存在的问题，提出了应用ＢＧＫ模拟方法模拟明渠水流运动的可能性。根据ＢＧＫ波尔兹曼方程及明渠水流中微、宏观变量之间的基本关系，导出了明渠水流运动的控制方程。理论推导证明，圣维南方程是ＢＧＫ模型在局部平衡状态下的一个特例。通过对熵方程分析表明，ＢＧＫ波尔兹曼方程严格满足熵条件，从而阐释了ＢＧＫ模拟方法满足熵条件。利用一个恒定水跃的例子说明了熵条件的重要性，同时也表明，仅仅以质量和动量守衡律为基础的圣维南方程可能会得出不唯一的解，即不满足熵条件的解。在论证ＢＧＫ波尔兹曼方程与明渠水流守衡律的一致性的基础上，提出了建立ＧＢＫ明渠水流模型之基本思路和步骤并分析了该方法与传统模拟方法之区别。从理论上论证了利用ＢＧＫ模拟方法模拟明渠水流的可行性，为建立ＢＧＫ明渠水流模型奠定了理论基础。     

非恒定水流的一维、二维耦合数值模型

从数值波在每一时间步长内传播的距离不超过Courant数个网格点的基础出发，采用时间滞后条件，构造了虚拟的重叠计算水域。利用重叠－投影法，在连接（点）处建立一、二维耦合模型，实现了由一维计算水域向二维计算水域的准确过渡。采用一、二维耦合模型和全一维模型对上海市淀南片河网的验证计算表明，一、二维耦合模型能较好地模拟非恒定水流，且具有一定的可靠性和实用性。     

明渠非恒定流数值计算

本文从特征线理论出发，将计算非恒定流常用的差分格式统一起来，根据实际问题所需的不同精度要求，可单独使用某一格式或联合使用其中的两种模式。该方法理论严密，程度设计紧凑，通用性强，收敛速度快。可用于水库，河道及河网地区的洪水演算，水电站尾水渠及抽水蓄能电站上、下库水位－流量过程计算，还可用于通航船闸，灌区配水等非恒定流条件下水力参数的计算。     

高含沙水流二维数值模拟

一定条件下的高含沙水流具有非牛顿体特性，在天然多沙河流中由于地形分布等因素的影响。流动强度差异较大，往往呈现非牛顿体和牛顿体两种不同的流动特性，本文通过引进水流在不同流动状态下的特征，通过数值实验计算对模型进行了初步检验，计算结果与实际观测到的一些现象定性上完全吻合。     

黄河下游平面二维非恒定输沙数学模型：Ⅰ—模型方程与数值方法

黄河下游冲淤变形剧烈，其平面二维泥沙数学模型的研究与开发是一个极其复杂的难题，在学术与工程实践上都具有重要意义。本文构建起具有通用性的黄河下游平面二维非恒定输沙数学模型。在该模型中：采用修正的河床变形方程；克服了以往数学模型计算中取饱和恢复系数小于1的缺陷；引入了符合黄河下游河道水沙特点的水流挟沙力和河床糙率计算等公式。在数值方法上：采用边界拟合坐标，对水流连续性方程与动量方程采用交错网格上的ADI方法进行离散求解，对泥沙连续性方程则采用控制容积法进行离散。     

重庆创宇化危品码头通航二维水流数值模拟

为了克服计算域边界起伏变化较大的问题,利用贴体正交曲线坐标系建立二维水流数值模型,模拟重庆创宇化危品码头河段通航水流条件,运用苟家沱至五步政河段的水面线、流场的流向及流速分布等实测资料进行验证,计算结果表明,二维水流数学模型的建立和数值计算方法合理,能较好的模拟实际河道的水流特性.     

短模型上的明渠非恒定流试验

水工整体模型试验中,明渠非恒定流至今大多被简化为恒定流,而效果有时并不理想。本文指出,只要设置固定式曲线尾门,并有必要的动态量测设备,便可模拟原型非恒定流;即使模型偏短,也能得出比恒定流试验更接近原型的成果。在同一模型上,既做恒定流试验,又进行必要的非恒定流试验,二者相辅相成,必将有助于试验水平的提高。作为例证,本文介绍了泄洪调度导致航道水面波动的一项试验成果,并以岩基冲刷、通航水流条件、围堰过水、河床冲淤等研究课题为例,讨论了采用“短模型非恒定流试验方式”的必要性与可行性。     

潮汐河口平面二维非恒定流数值模拟

本文基于三角形网格划分，采用有限元法，建立了平面二维非恒定潮流数学模型。采用了质量集中、压缩存储的处理方法和“预估校正”的时间推进算法，较好地解决了有限元计算存储量和计算速度问题。对长江口南北支河段进行了验证计算，结果表明模型能较好模拟长江口南北支河段的潮流运动情况，且计算稳定性好、速度快、精度高。     

明渠岸边横向取水口的三维数值计算

本文是在明渠岸边横向取水口的试验研究基础上的配套数值模拟。采用雷诺平均的N—S方程，以各向异性的雷诺应力模型(RSM)封闭方程组，用SIMPLEC算法对压力—速度场求解。计算结果与试验实测结果吻合较好，反映了此项模拟的可信性，可籍以扩大、分析一些运动规律。数值计算结果启示了横向取水口水流的复杂三维流动特性，据之对取水口附近水流各区的划分、水流的分离和反向流动、螺旋流以及床面剪应力的分布等复杂水力和泥沙输移物理现象有了进一步认识。     

基于图论的渠网非恒定流稀疏矩阵技术

基于图论的渠网非恒定流数学模型,提出采用节支关联表、支节关联表和节点关联表描述渠网拓扑结构,研究了节支关联矩阵A和节点水深关联矩阵C的稀疏矩阵技术,包括：数据结构,压缩存储方法,以及计算机生成方法等。提出并证明了两个关于矩阵C性质的定理。研究表明,采用稀疏矩阵技术不仅可以大大减少渠网拓扑结构信息输入量,计算机内存空间占用量,而且显著提高非恒定流的计算求解速度。     

泥浆侧排浓度扩散特性二维水沙数学模拟研究

涉水工程在施工过程中产生的高浓度泥浆排放必将污染下游河道,给下游生产、生活用水带来影响。因此准确预测高浓度泥浆排放对下游河道的影响程度及范围具有重要意义,本文以含沙水流为研究对象,采用一般曲线坐标系下的平面二维水沙数学模型对长江武汉河段过江隧道施工过程中泥浆排放对下游河道的影响进行模拟和计算。结果表明：模型能较为真实地反映不同水流条件下不同浓度的泥浆在水流中的扩散范围。可为泥浆排放口下游的生产、生活用水决策提供必要的参考依据。     

河道立面二维非恒定水温及污染物分布预报模型

通过建立一种立面二维模型，考虑自由水面的变化，采用全显式的有限体积法模拟了河道流动的水温及悬浮污染物质分布。该模型适用于大尺度水域中较长期的流动、水温及悬浮物质迁移问题。通过优化取水口位置高程将水体中污染物质残存总量控制到最少，对水库实际流动、水温、悬浮物质分布的模拟结果与实际观测符合良好。