非恒定一、二维耦合水质数值模拟技术研究

真实环境中的湖区和周边河网通常是相互联系的,水中污染物会随水流在湖区和河道间发生迁移;为了更客观地模拟预测这类区域中的水质变化规律,从一、二维耦合区内公共单元的水质浓度应满足相容条件出发,对一、二维连接区利用重叠投影法,建立了基于美国国家环保局WASP5模型的污染物迁移扩散机理以及有限体积法的一、二维耦合水质模型,并应用于苏北洪泽湖水系水质模拟,模拟成果验证了该耦合水质模型具有较高的可靠性与实用性的特点。     

混流式水轮机引水部件内部流动的二维数值模拟与三维模拟比较分析

基于N-S方程和标准k-ε紊流模型,采用CFD计算流体力学软件对HLA 616-WJ-55混流式水轮机原型机的引水部件在最优工况下进行了二维定常数值模拟,获得了流场的速度、压力分布变化规律,并与同型式水轮机的蜗壳三维数值模拟结果进行比较分析。结果表明,二维CFD分析也能较概括地预测引水部件内部流场的结构,数值模拟结果对水轮机选型和优化设计均具有重要的指导意义。     

稳定冲坑内剖面二维悬移质扩散的数值研究

基于N-S方程和悬移质扩散方程,采用网格标记法(MAC)追踪自由水面,应用标准k-ε封闭方程建立了二维水流泥沙数学模型.运用数学模型对射流冲坑内的流场、泥沙浓度进行数值计算,得到了冲坑内流场、紊动特性及悬移质泥沙浓度的分布情况,并与实验数据进行了比较.结果显示,该数学模型具有较高的精度和适用性,能较好地模拟稳定冲刷坑内的流场和悬沙浓度分布.     

前缘倒圆角方柱绕流的大涡模拟

该文基于FLUENT软件采用大涡模拟方法对前缘倒圆角方柱绕流的气动特性进行数值研究。首先分析网格质量对二维大涡模拟结果准确度的影响,得出适用于钝体绕流大涡模拟计算的网格标准;然后对比二维和三维大涡模拟计算的升阻力系数、脱落涡频率、回流区长度和瞬态流场旋涡结构,以及尾迹速度分布,并与实验结果对比。最后得到二维和三维大涡模拟方法在钝体绕流非定常特性研究中的适用性。结果表明:二维和三维大涡模拟均能捕捉流场中大尺度旋涡结构,预测的脱落涡频率与实验偏差均小于0.4%;三维大涡模拟结果相比于二维大涡模拟与实验结果更加吻合。     

特大型变坡土壤槽纵向垂向弥散系数试验研究

本文借助于特大型变坡土壤槽物理模型装置，试验研究了污染物在饱和土壤中水平运移规律，得到了连续输污条件下，饱和土壤中污染物浓度二维时空变化的过程，在分析实测资料的基础上，运用数学模型解 优化技术率定模型参数，得到了具有重要应用价值的纵向、垂向弥散系数。     

二维水翼片空泡脱落及云空化数值模拟

二维空化水翼的非定常特性和云空化演化一直是空泡流领域研究的热点之一。该文采用雷诺平均NS方程(RANS)、分离涡模拟(DES)以及大涡模拟(LES)对绕二维水翼的空泡流进行了数值模拟,重点研究与评估这些数值模拟方法预报空泡流非定常特性的能力,给出了不同流动状态下的二维水翼的水动力系数。通过与二维水翼空化实验数据比较表明,修正湍流黏性系数的RANS数值模型可较准确地预报水动力系数,而DES和LES模型可准确地预报水动力系数和空泡脱落频率,是模拟云空化脱落与演化的有效途径。不同空化数条件下云空泡流场的大涡模拟结果表明,水翼片空泡尾部大尺度旋涡的生成与发展是导致片空泡断裂的主要原因,而一旦片空泡发生断裂则在片空泡下部形成显著的回射流。     

万州关刀碛化危品码头平面二维水流数值模拟

本文采用贴体正交坐标系下的平面二维水流数学模型,分析了重庆万州关刀碛化危品码头的通航水流条件。通过二维水流数学模型的建立和计算,较好地模拟了关刀碛化危品码头的河道边界条件。经羊奶岩至红溪沟航段的实测水面线、水流流速分布验证,准确地预测了工程修建前后河道的水流流场,能满足工程通航研究的需要。     

南水北调来水后土壤污染物溶出对密云水库水质的影响

南水北调工程来水入密云水库使得库区水位大幅上升,库区周边大面积土壤将被永久淹没。本文基于密云水库水流条件和入库污染物的迁移扩散规律,构建了适合库区水流水质特征的平面二维水动力与水质模型,结合土壤浸泡溶出试验得出的土壤污染物释放规律,开展了南水北调来水后考虑新增淹没区土壤溶出和不考虑土壤溶出两种情景下的水质模拟,分析了南水北调工程来水后新增淹没区土壤TP、TN和CODMn溶出对库区水质的影响。模拟结果表明,在考虑最不利情景下,新增淹没区土壤释放对密云水库库区水质的影响范围小、程度低、持续时间短,对库区水质的影响非常微弱。     

考虑水沙相互作用的河堤溃决二维数值模型

该文建立了洪水漫堤导致河堤溃决的平面二维水沙运动数值模型,以模拟溃口扩展和堤身冲刷的过程。该模型基于有限体积法、采用显式格式求解平面二维水流运动和非平衡全沙泥沙输移方程,并考虑了边坡崩塌、底床急剧变形以及高浓度泥沙输移对水流运动的影响。溃口处的混合流场采用HLL approxim ate Riemann solver处理,非黏性土溃口边坡的崩塌采用不同干、湿静止角处理。通过对英国HR Wallingford实验室一组实验的计算,结果表明该模型能较好地模拟非黏性土堤坝溃决过程中的溃口展宽、坝体冲刷、流场分布以及溃口流量过程线。对模型参数的敏感性分析显示了水沙耦合溃决模型的非线性特征。     

渗流仪影响的二维和三维数值对比研究

运用计算水力学的基本理论,利用COMSOL地下水模拟软件,分别用二维和三维模拟研究了在不同水流条件下,在测量区放置和不放置渗流仪装置两种情况时,河床界面的压力分布特性和区域潜流通量的大小变化规律.模拟结果表明:三维模拟比二维模拟更能准确地反映出河床界面上的压力分布特性;地表水流速越大,渗流仪结构对局部流态的影响越大;特定地形条件下,地表水流速与潜流通量并不呈正相关关系.     

渗流及地下水污染二维预测模型

在各项异性渗流模型的基础上，建立了地下水污染物质输移运动的二维数学预测模型，采用有限元法对渗流和污染物分布进行模拟，并且用解析解检验了数学模型的可靠性。对于污染物随地面降雨入渗的二维非恒定问题，计算结果与已有文献进行比较，证明了数值模拟的可信度。进一步实际模拟在非均匀介质情况下的污染物随地下水输移过程，分析了介质的透水特性对污染物浓度的影响。     

长江口北支基于混合网格的通量差分裂水流水质计算模式

本文建立了基于三角形四边形混合网格的二维水流水质耦合数值计算模式。网格通过推进阵面法自动生成，控制方程采用有限体积法对守恒变量进行离散，应用通量差分裂格式(FDS)计算边界上的水量、动量和污染物法向数值通量。模型应用于长江口北支崇海公路大桥修建后的流场浓度场的数值模拟。网格根据工程实际需要分区布置．在工程外区域采用有结构的四边形网格布置，既可贴合实际岸线边界，又便于组织数据结构；在工程附近区域采用无结构的三角形网格布置，利用三角形网格的灵活性实现复杂地形边界和局部小尺度流场浓度场的精细模拟。模型计算出的流场和浓度场与实测值对比令人满意，较好地解决了复杂边界和工程网格尺度问题。     

某公路目标路段路面径流处理的实验室模拟研究

针对某公路运营期产生的路面径流污染对周边水域环境或土壤可能产生的影响,进行了室内模拟实验,并根据实验结果提出设计方案,使得路面径流各项污染物达到或接近地表水三级标准,以减轻对周边环境水状况的影响。该研究依托上述公路建设,基于以人为本和可持续发展的原则,根据前嫩高速公路建设中的水环境保护需求,应用科学理论与方法及国外成功经验,研究设计公路在运营期水环境保护应用技术,旨在减轻公路运营期对上述水环境产生的破坏影响。     

二维地形与动态流场嵌套可视化研究

充分利用Visual Basic语言和Fortran语言各自的优势混合编程,探讨了在二维地形基础上嵌套流场的动态可视化的实现途径。介绍了一种简捷的可避免歧点的二维地形显示方法。介绍的动态可视化方法简捷实用,可为流场计算结果的合理性提供参照,同时也为河流模拟仿真技术奠定了基础。     

明渠水流泥沙运动水深平均及力矩方程的理论和验证

首次提出了水流泥沙运动水深平均及其力矩方程的概念 ,并从理论上推导出这套方程组。提出水流泥沙运动力矩方程的目的有两个 ,一是在不增加空间维数的情况下可以有效地恢复水流泥沙因子沿水深分布信息 ,克服目前普遍使用的水深平均方程过多地忽略沿水深分布信息的缺点 ;二是增强模型的模拟能力。针对这两个目的是否能真正得到体现 ,分别从理论和实验室资料两个方面对新推导的力矩方程进行了全面的检验。理论验证结果表明 ,一维的力矩方程除了能模拟水深平均的流速和含沙量 ,还能够较好地模拟水流泥沙因子沿水深分布信息 ,这充分说明了一维力矩方程的二维特性。为了检验力矩方程的模拟能力 ,特别选取了一些极端的水流泥沙运动实验 ,如清水冲刷、点源加沙和深槽回淤等。模拟结果表明 ,力矩方程对于这些极端的水沙运动具有较好的模拟能力     

自动编码解码器和本征正交分解在倾斜圆盘绕流尾流场中的应用

本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition, POD）是一种传统降维模型，在流体力学中广泛应用。在流场分析中，POD把高维流场数据降维，映射到低维的正交基模态空间，从而分析出流场的主要特征及其对应的基模态系数。随着深度学习的发展，运用卷积神经网络(convolutional neural network, CNN）自动编码解码器在数据降维方面具有的固有优势，可以作为一种降维方法应用在流场降维与数据处理方面。该文以三维倾斜圆盘绕流尾流场中的典型二维截面为例，将圆盘后速度场作为研究对象，分别使用POD和自动编码解码器对流场进行特征提取，并比较了两种方法的优缺点。     

简易粒子图像测速(PIV)技术开发与优化技巧

粒子图像测速(PIV)技术是一种瞬态流动平面二维速度场测试技术,在细部流场实测领域得到重视,但是成熟的PIV产品价格高昂。鉴于此,介绍了一种简易的PIV装置,主要由高速摄像机、激光发射器、柱面透镜和示踪粒子构成,以较低成本即可基本实现商业用PIV产品的功能。为了验证简易PIV性能,设计了PIV简易装置,采用Fluent软件模拟,并结合PIV技术对比分析了简易PIV装置的优缺点,同时对影响结果的粒径大小和粒子跟随性进行了优化。结果表明,简易PIV装置适宜选用玉米粉作为示踪粒子,并需要根据示踪粒子跟随性所能达到的最大进口水流速度选择高速摄像机的帧率,最终能够较好地实现流场实测,进而达到对PIV技术进行开发和优化的目的,其分析结果将为后续研究者提供参考。     

一种新型室内抽水沉降模拟实验系统

结合南京地铁实际工况,研制了一种新型的抽水沉降模拟实验系统,实现了室内模拟现场抽水沉降。并用该系统做了3个不同压力下的27组试样实验,对实验结果进行总结分析;同时与现场实测数据进行比较。实践证明,该系统为现场测量抽水沉降提供了较为科学的依据,对抽水引发地面沉降的预测有一定的实际参考价值。     

滑移网格下泵内流场的非定常流计算

该文在OpenFOAM开源平台下,采用滑移网格方法对二维泵内流场进行了非定常流数值计算.计算区域分为旋转区和静止区,滑移界面通过GGI算法实现变量插值和传递.并分别利用RANS和LES模型进行模拟,研究了不同湍流模型对非定常湍流场计算的影响.计算结果表明,动静叶相互作用下的流场具有明显的瞬态特征,其中LES模拟能更好预报流场的大尺度脉动特征.并将该文计算的瞬时速度分布与实验数据进行了比较,结果表明该文的滑移网格数值方法具有较好的适用性.     

水源地水库流场数值模拟研究

通过建立某水库二维水动力模型,用实测数据进行验证,然后对验证年的流场进行模拟分析,分别在春、夏、秋、冬四个季节选取一个特征时刻流场进行分析。结果表明:春季出库流量较大,夏季入库流量较大,所以春夏两季水库流速较大,水体流动性较好;秋、冬两季的出入库流量较小,水体流速较小,水体流动性较差。