二维明渠非恒定水流BGK数值模型

本文根据BGK波尔兹曼方程及明渠水流中波尔兹曼变量与宏观变量之间的基本关系，导出了明渠水流运动方程，验证了BGK波尔兹曼方程与明渠水流运动方程的一致性，并从理论上证明，圣维南方程是BGK明渠水流模型在局部平衡状态下的一个特例。以BGK波尔兹曼方程为基本方程，利用有限体积离散方法，建立了满足熵原理的二维明渠非恒定水流的BGK数值模型。通过对典型的明渠水流现象的模拟，并与其它计算方法获得的解以及实验结果相比较，表明BGK模型勿须人为的熵修正，能准确地模拟存在不连续运动的明渠水流运动，是一种较好的明渠非恒定水流模型。     

基于WMLES方法的复式断面明渠三维紊流数值模拟

针对基于雷诺时均Navier-Stokes方程的数值模型在精确模拟复式断面明渠三维水流结构方面存在困难和传统大涡模拟(LES)方法计算成本相对较高的问题,采用壁面建模的大涡模拟(WMLES)方法建立三维数值模型,对水深比(滩地水深与主槽水深之比)为0.5的复式断面明渠水流结构进行模拟计算。数值模拟计算结果与已有试验测量结果和LES模拟结果的对比表明,WMLES方法能够准确地模拟时均速度、床面切应力、紊动强度、紊动能、雷诺应力分布、二次漩涡结构,该方法在复式断面明渠水流三维模拟中是可靠的;在保证计算精度的前提下,与传统LES方法相比,采用WMLES方法能够显著降低计算成本。     

明渠均匀流流速横向分布的涡黏性模型

为了研究明渠水流的运动特性,开展了明渠水流流速横向分布数学模型的研究。本文根据量纲分析方法和实验资料,得到水流横向剪切作用下横向涡黏性系数的关系式;基于均匀流的水流运动方程,按照有限差分方法,建立流速横向分布计算模型。该模型具有计算简单、快捷和精度较高的优点,且数值计算不受横向涡黏性系数的结构形式和断面形态的影响。采用明渠水流实验资料验证数学模型,数学模型计算的流速横向分布与实验资料较一致,具有较高的理论意义和应用价值。     

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。     

复式断面明渠水流三维数值模拟

复式断面渠道水流流场结构比较复杂,本文用耦合式求解器对复式断面明渠水流的三维流场进行了模拟.采用交错网格,界面上的动量差值采用Roe格式,紊流数学模型选用雷诺应力模型.将计算结果与实验结果进行比较,两者的吻合度较好,从而验证了数学模型的可靠性,最后又对复式断面明渠横剖面上水流运动特性进行了分析.     

黄河大柳树—沙坡头河段典型弯道水流运动平面二维数值模拟

建立了适体坐标系下的平面二维紊流水流数学模型,对黄河在宁夏回族自治区中卫市境内的大柳树—沙坡头河段典型弯道的水流运动进行数值模拟。为了反映弯道环流的影响,对动量方程进行修正,紊流模型采用修正的RNGk-ε模型。通过对黄河大柳树—沙坡头河段连续弯道水流运动数值计算结果与实测结果的对比分析,表明该模型能够准确地模拟具有复杂地形的天然河流弯道中的水流运动。利用所建立的模型计算了4种典型工况下水面的纵比降和横比降,得到一些有益的结论。     

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。     

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。     

复杂地形上非恒定浅水二维流动数值模拟

该文针对复杂地形条件下浅水流动数值模拟在干、湿边界附近面临计算失稳和格式和谐性差等难题,建立了非统一结构网格下二维浅水方程的高精度、高分辨率的有限体积模型.以基于水位的改进浅水方程为水流控制方程,采用能够有效捕获激波的HLLC近似黎曼算子计算界面通量;采用MUSCL-Hancock预测-校正法获得了在空间和时间上都具有二阶精度的Godunov格式;通过构造底坡修正项,保证了计算格式的和谐性;采用改进的半隐式格式解决摩阻项可能引起的刚性问题,提高了格式的稳定性.并通过算例研究,结果表明,该模型具有很好的和谐性与稳定性,适应干、湿界面计算,能有效模拟复杂地形条件下的水流运动.     

引水明渠二维水流数学模型的建立及应用

准确计算引水明渠内的水力学特征对于设计渠道断面型式及控制渠道泥沙淤积等具有重要意义。通过建立平面二维水流数学模型,对某引水渠道及其上游干流、下游库区区域的水流进行了数值模拟研究,分析了计算区域内的流态、流速分布和水位变化等水力参数。在此基础上对引水明渠渠底高程进行优化,对比了不同高程下渠道的水位和水流特征,成果可为明渠的优化设计及其防淤方案的制定提供科学依据。     

复式断面明渠流能量及动量校正系数研究

在复式断面明渠流中,能量及动量校正系数对水力学计算结果的精确性有直接影响。为研究水深比（滩地水深与主槽水深之比）及滩地植被密度对复式断面明渠流能量及动量校正系数的影响,采用基于壁面建模的大涡模拟（WMLES）方法的三维数值模型,对5种水深比和3种植被密度工况进行数值模拟研究。结果表明：由于流速分布不均匀,主槽和滩地的能量及动量校正系数有明显差异,其值均大于1。随着水深比的增大,复式断面的流速分布趋向均匀,能量和动量校正系数随之减小,能量校正系数的变化范围为1.07～1.19,动量校正系数的变化范围为1.03～1.07。此外,随着滩地植被密度的增大,滩地与主槽的流速差值变大,能量和动量校正系数随之增大,能量校正系数的变化范围为1.09～1.59,动量校正系数的变化范围为1.04～1.21。最后,通过回归分析发现能量校正系数与动量校正系数存在线性关系,所得计算式可用于相同工况条件下能量及动量校正系数的预测。     

大区域含水层中局部复杂水流过程的多尺度模拟

精细刻画带有小尺度特征的局部复杂水流运动过程,是大区域地下水流运动数值模拟的重要议题。本文建立了一种能进行多时空尺度数值离散的三维地下水流运动耦合模型,用以获取全区域大尺度解及多子域小尺度高精度解。模型采用基于达西定律的三维水头插值算法,以实现多空间尺度模型耦合;同时,针对局部复杂水流条件,进行小尺度模型边界水头二阶时间曲线拟合及自适应时间步长插值,以实现多时间尺度模型耦合;此外,在局部问题的求解上支持任意边界形状及空间范围内的多个自由加密子网格离散,从而充分节省计算成本并保证计算精度。本文以通用地下水模型求解软件MODFLOW在高密度时空网格上的解作为参照解,对比分析了模型在多时空尺度、非匹配自由网格问题中的求解精度。相比传统局部加密或全局加密模型方法,本文模型能大幅度减小矩阵规模和求解工作量;相比传统局部加密多网格耦合模型,本文模型能更精确地刻画局部尺度的复杂水流运动过程。本文模型耦合方案可作为大区域含水层中精细刻画小尺度复杂水流过程的高效数值工具。     

明渠自掺气水流运动的数值模拟

从两相流基本方程出发,分析了水利工程中水气两相流的特点,对明渠自由水面的掺气量进行研究,建立了适用于自掺气水流的数学模型,对明渠自掺气水流的掺气浓度和流速进行了数值计算,计算结果与实测值吻合较好,得出掺气浓度随水深的增加逐渐增大,流速自明渠底面向水面方向先增大,然后又逐渐减小.     

柱体渠槽水流收缩水深与共轭水深综合解析计算

明渠稳定变速流由急流到缓流的转变常发生水跃联接形式。为确定水流流态,判断衔接形式,绘制水面曲线及进行消能计算,均涉及到计算收缩水深及与其相应的共轭水深。上述问题因数学解甚为复杂而求助于试算,为简化计算,许多人致力于图表求解的研究。对于矩形、梯形渠槽收缩水深与共轭水深已有不同的解算方法。本文从基本能量方程与动量方程出发,推导了七种规则断面柱体渠槽水流收缩水深及共轭水深的综合解析计算公式并给出了计算图表,供设计使用。     

细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析

从颗粒运动的PDF(概率密度分布函数)输运方程出发建立颗粒相的质量、动量和脉动速度二阶矩方程。对明渠二维恒定均匀流，利用垂向动量方程导出了修正的泥沙扩散方程，表明颗粒脉动强度梯度、升力、有效重力和紊动扩散都影响悬沙运动。理论和数值分析了细颗粒泥沙的密度、粒径、浓度，挟沙水流的水深和剪切流速等因素对泥沙扩散系数和浓度分布形状的影响，并定量分析了细颗粒试验资料，表明传统扩散方程在粒径、剪切流速相对较大、水深和水沙密度比较小的流动中存在较大误差，需要修正。     

正交曲线网格在导流明渠模拟中的应用

由于在天然河道中修建导流明渠后,过流边界比较复杂,建立数学模型时划分网格难度较大,因此对于明渠水流的数值模拟研究尚不多见.采用非结构三角形网格能较好地划分复杂的计算区域,但对于导流明渠这类人工开挖的规则边界,地形插值后在渠道边坡上形成锯齿状地形,导致边界附近的水流模拟失真.采用局部连续的正交曲线网格划分计算区域,同时保证网格的贴体与良好的正交性,且能较精确地模拟人工开挖边坡,保证计算的稳定性与精度.建立了用于模拟导流明渠流场的平面二维水流数学模型,采用有限差分法求解水深积分方程.数值模拟结果与物理模型测量结果吻合较好,表明建立的数学模型能合理地模拟明渠内的水流.     

地表河网-地下水流系统耦合模拟Ⅰ：模型

本文通过采用联立求解地表河流一维明渠非恒定渐变流与地下水拟三维非稳定流运动方程的技术路线，提出了地表河网与地下水流耦合模拟算法。该算法中地表河网流动分别由质量和动量守恒定律而建立的连续性方程和运动方程所组成；地下水流采用多层“拟三维”非稳定流模型，通过彼此间的水力联系，建立了地表河网-地下水流耦合模拟评价模型，该模型可用于地表水与地下水转化关系较为密切地区的水资源综合评价预测中。     

正交曲线网格在导流明渠模拟中的应用

由于在天然河道中修建导流明渠后,过流边界比较复杂,建立数学模型时划分网格难度较大,因此对于明渠水流的数值模拟研究尚不多见.采用非结构三角形网格能较好地划分复杂的计算区域,但对于导流明渠这类人工开挖的规则边界,地形插值后在渠道边坡上形成锯齿状地形,导致边界附近的水流模拟失真.采用局部连续的正交曲线网格划分计算区域,同时保证网格的贴体与良好的正交性,且能较精确地模拟人工开挖边坡,保证计算的稳定性与精度.建立了用于模拟导流明渠流场的平面二维水流数学模型,采用有限差分法求解水深积分方程.数值模拟结果与物理模型测量结果吻合较好,表明建立的数学模型能合理地模拟明渠内的水流.     

部分植被明渠水流流动特性三维数值模拟研究

利用在sigma坐标下含有植被明渠水流三维数学模型,湍流模型采用鲁俊修正的Smagorinsky模型,用分步算法和有限差分离散求解控制方程,数值模拟研究了部分植被化明渠水流流动特性。分析了植被区域内流速和切应力分布特征以及明渠水流的流量和植被密度的关系,数值计算表明植被密度增加,明渠水流的流量减小,但随着植被密度增加超过一定定值,明渠水流的流量不变。     

基于CCHE模型的乌斯满引水枢纽水流数值模拟

通过CCHE2D平面二维水沙数学模型,采用非线性k-ε紊流闭合模型,有限元法离散控制方程和时间行进格式求解方程对塔里木河乌斯满枢纽模型进行二维水流特性数值模拟。分析了枢纽上下游水流水面形态变化、断面流速变化以及水位高程变化。探讨了引水闸及泄洪闸对计算河段水流流态的影响。将各典型断面水面高程变化与物理模型试验实测值进行对比,得到二者水面变化趋势基本一致。结果表明:CCHE软件能较好地运用于引水枢纽工程水流运动的数值模拟。