基于非结构网格的非恒定浅水二维有限体积数学模型研究

建立了基于非结构三角网格系统的非恒定浅水二维水流数学模型.基本控制方程采用浅水二维水流方程;采用能够有效捕捉激波的HLLC近似黎曼算子求解界面通量,并对界面变量进行数据重构,模型具有二阶精度:将地形高程定义在三角单元节点上,使得单元间地形连续变化,结合处理底坡的DFB(mvergence form for bed slope source term)方法,保证了模型的和谐性,使其能够有效地模拟不规则地形条件上干湿边界变化过程中的水流过程;采用了隐式方法处理阻力项,从而保证了模型的稳定性.最后,通过四个经典算例对模型进行了系统地检验.结果表明:此模型具有很好的和谐性和稳定性,能够有效、准确地模拟复杂地形情况下水流运动,显示了广阔的应用前景.     

辽东湾顶极浅海潮流数值计算

针对辽东湾顶的复杂地形，本文使用有限元方法离散浅水波动方程。对计算区域采用三角单元剖分，对水位和流速用线性插值函数逼近，应用动边界技术模拟了潮滩随水位变化而干出或淹没，对传统的底摩擦公式进行了改进，从而解决了在计算很浅的水域时，可能出现的数值不稳定问题。本文的计算值与实测资料符合良好。     

基于自适应网格的急流条件下污染物输运高效高精度模拟

为了高效准确模拟急流条件下突发水污染事件中污染物的输运规律,基于自适应网格技术构建了Godunov格式有限体积模型。模型利用自适应结构网格离散二维浅水控制方程,对水位梯度或污染物浓度梯度较大的区域进行精细网格划分,同时细化干湿边界区域网格。模型采用MUSCL-Hancock方法求解二维浅水控制方程,使模型具有时空二阶精度;利用HLLC格式近似Riemann解计算界面通量,对界面两侧的Riemann变量进行非负重构和局部底部高程修正以确保模型计算的和谐性和稳定性。算例验证表明:自适应网格技术可以自动识别水位梯度或污染物浓度梯度较大的区域以及干湿边界区域并细化该区域网格,保证模型模拟精度的基础上,提升模型模拟效率;该模型能够准确高效地模拟急流条件下污染物的输运过程,适用于突发水污染事件的评估、预警和应急管理。     

基于自适应网格的二维水动力模型

为准确地模拟流域洪水传播和淹没情况,基于自适应网格技术,以有限体积法为离散格式构建数值模型.模型以二维浅水方程为控制方程,采用HLL格式近似黎曼解计算界面通量,采用WAF格式对计算的通量进行加权修正,保证时间和空间上的二阶精度,并使其满足TVD条件,减小数值振荡.底坡源项采用水深差分重构,摩阻源项采用半隐式格式,保证数...     

潮流数值模拟中动边界处理方法研究

论文提出了一种新的干湿判断方法来处理潮流数值模拟中潮间带上的动边界问题。文中的干湿判断方法主要是通过显式求解所得的“预估水深”和流速方向确定单元边的干湿状态。干湿判断过程中不仅考虑到水位对干湿状态的影响，而且包含了流速、流向和风应力等因素；判断过程不必分成“干”判断和“湿”判断两步进行。对三个测试算例进行了干湿判断模拟，模拟结果显示：干湿判断方法无明显的数值振荡，模拟结果的水面光滑；可以较准确的估计浅水处水体的蓄留能力，能保证干单元的水深均小于门限水深且为有限的正值；可以较准确的模拟潮间带上的动边界问题。     

基于二维浅水方程的城市地面洪水演进数值模拟研究

探究城市内涝灾害数值预报对城市的防洪减灾及灾害评估具有重要意义。基于三角形非结构网格,采用Godunov型有限体积法建立了一个高精度的二维浅水水动力数值模型。该模型使用Roe格式计算界面通量,可以较好地捕捉洪水的动边界运动,模型将静水压力项放入源项中,减少了由于地形底坡项带来的数值解伪震荡。该模型对动边界以及负水深处理技术进行了改进,能够有效提高模型模拟的精确度和静水和谐性。在应用3个算例对模型进行率定的基础上,将模型应用于浑河、太子河之间浑太胡同区域的地表洪水演进的模拟中。结果表明:浑太胡同内洪水演进的水深、流场变化均较为合理,组合溃堤各水深淹没面积均为最大,模拟结果很好地验证了城市区域雨洪的流动演变过程,证明该模型可以用于复杂地形的城市由降水形成的暴雨积水及地表洪水演进模拟过程,模型可快速为城市防汛减灾提供积水情况及涝情信息。     

长距离溃堰洪水演进二维数值模拟

建立了用于模拟溃堰洪水演进的平面二维水流数学模型。采用非规则四边形网格划分计算区域，用有限体积法求解水深积分方程，显式MacCormack预测—校正格式步进计算，采用基于界面属性与单元属性的动边界技术处理干湿变动网格。模拟了唐家山堰塞坝溃堰过程及溃堰洪水在长约70 km河道中的演进过程，给出了各溃堰方案下溃口及沿程测站的水位流量过程，以及沿程最大洪峰流量，模拟结果充分反映了河道平面形态变化、漫滩及槽蓄对洪水演进的影响，为堰塞坝溃坝预案的制定提供了科学依据。     

大名泛区洪水演进数值模拟

利用结构化网格的有限体积法,建立了二维浅水方程的高精度、低计算负荷的数值计算模型。对结构化网格的处理采用一种自适应网格加密方法,提出四叉树的网格构造,以提高网格对地形和水力变化的敏感度。推导出一种具有激波捕捉能力的二维浅水方程的守恒形式,采用单元中心式有限体积离散。方程的离散采用Godunov格式,利用近似Riemann解求解界面通量,并介绍和采用了具有二阶精度的HLLC算法。对在此基础上,建立大名泛区二维洪水演进模型,获取了不同时段的淹没范围栅格图像、不同时刻淹没水深、洪泛区的蓄水量变化过程以及泛区内点的水力要素信息,为泛区的防洪规划和实时洪水预报提供理论参考。     

具有捕捉激波能力的一维溃坝波及孤立波爬坡数学模型

该文基于浅水方程(SWE)和扩展的Boussinesq方程建立了一维溃坝波演变及波浪爬坡显格式数学模型,该模型能够计算不同时刻及不同地段洪水在波浪演进过程中的水深和流速等.模型采用有限体积法离散方程和应用带有四阶精度的HLL格式的近似Riemann解计算界面的通量,且能够精确的捕捉干湿界面的动边界问题,在计算中静水压力被放入源项中,摩阻项和植物拖曳力项采用隐式离散的方法来增加计算的稳定性.采用建立的数学模型对溃坝波越过三角障碍物、溃坝波爬坡及无植物和带有植物的孤立波爬坡等典型算例进行模拟,结果显示该模型具备较好的精度、守恒性、捕捉间断和模拟动边界的能力,故该模型对于溃坝水流的预测以及海岸带岸坡的设计和防护等方面具有重要的应用价值.     

基于非结构网格的二维溃坝洪水数值模型

基于三角形非结构网格,采用有限体积法建立了平面二维水动力学模型,用于模拟复杂边界和地形下溃坝洪水的运动过程。该文采用中心迎风格式求解界面数值通量,并通过引入限制器技术对界面两侧变量进行重构,使其在空间上具有两阶精度。采用局部改变河床高程方法对界面重构变量进行修正来提高模型的干湿处理能力。该模型既能保证数值格式的和谐性,又能够确保整个计算过程中水深是非负的。通过采用三个典型算例的验证和一个实例溃坝洪水过程的模拟分析,计算结果表明:该模型能很好地捕捉复杂地形和边界条件下洪水演进过程中的洪水锋面运动、干湿节点转化、水深和流量变化等过程,具有很强的稳定性、水量守恒性和激波捕捉能力,特别适用于具有复杂地形和阻水结构物的溃坝洪水演进案例分析。     

基于有限体积法的二维浅水流动数值模拟程序开发

应用近年来浅水动力学理论的研究成果,参考国内外在软件设计方面几十年积累的经验,开发了基于有限体积法的二维浅水流动数值模拟程序CFD-FVM2D.程序以Roe格式的近似Riemann解为基础,离散浅水方程并将源项按特征方向进行特征分解,建立带源项浅水方程的通量平衡的Godunov求解格式,并对摩擦源项采用隐式、半隐式求解格式,以解决浅水方程的间断、动边界和河床起伏问题.     

浅水问题动边界数值模拟

采用基于准确Riemann解的Godunov格式求解浅水流动方程，将仅适用于平底的干底Riemann解推广到处理非平底动边界问题．在计算干底溃坝波的基础上，将该方法应用到有大片滩地的钱塘江河口涌潮计算中，能较好地模拟钱塘江涌潮在滩地上的传播过程．     

基于三角形网格的浅水间断流动泥沙输移数值模拟

浅水间断流动条件下泥沙输移具有广阔的工程应用背景.采用基于准确Riemann解的Godunov格式求解法向数值通量,应用干底Riemann解计算动边界问题,建立了基于无结构三角形网格空间二阶精度的二维水流和泥沙输移有限体积法数值模型.模型在纯对流问题检验的基础上,模拟了孤立波在滩面上传播变形以及对圆柱周围的局部冲刷,复演了孤立波变形后流场和泥沙场突变的过程,并且圆柱周围局部冲刷坑计算结果与实验基本吻合.     

湘江长沙综合枢纽水库淹没范围控制研究

运用建立的株洲枢纽至长沙枢纽间长河段二维水流数学模型,研究了长沙枢纽库区水面线变化特征,分析了水库调度对库区通航水深条件的影响。依据设计确定长沙枢纽水库淹没范围控制方案,计算出水库淹没曲线控制线,推求了库区控制断面处(湘潭水文站)不增加水库淹没损失的坝前蓄水位与坝址流量关系,合理确定长沙枢纽预泄的动态控制水位调度线,为后续水库优化调度提供边界约束条件。     

Numerical simulation of flow and bed morphology in the case of dam break floods with vegetation effect

The purpose of this study is to establish a depth-averaged 2-D hydrodynamic and sediment transport model for the dambreak flows with vegetation effect. The generalized shallow water equations are solved using an explicit finite volume method with unstructured quadtree rectangular grid, and in the hydrodynamic model, a Harten-Lax-Van Leer(HLL) approximate Riemann solver is used to calculate the intercell flux for capturing the dry-to-wet moving boundary. The sediment transport and bed variation equations in a coupled fashion are calculated by including the bed variation and the variable flow density in the flow continuity and momentum equations. The drag force of vegetation is modeled as the sink terms in the momentum equations. The developed model is tested against lab experiments of the dam-break flows over a fix bed and a movable bed in vegetated and non-vegetated channels. The results are compared with experimental data, and good agreement is obtained. It is shown that the reduced velocity under vegetated conditions leads to a decrease of the peak discharge and a rise of the water level of rivers and also an enhancement of the sediment deposition.     

An iterative Rankine BEM for wave-making analysis of submerged and surface- piercing bodies in finite water depth

A 3-D iterative Rankine Boundary Element Method （BEM） for seakeeping problem in time domain is developed in the framework of linear potential theory. Waves generated by both submerged and surface-piercing bodies moving at a constant forward speed in otherwise calm water, and the resultant steady wave pattern, wave profile and resistance are computed to validate this newly-developed code. A rectangular computational domain moving with the same forward speed as the body is introduced, in which an artificial damping beach is installed at an outer portion of the free surface except the downstream side for satisfying the radiation condition. The velocity potential on the ship hull and the normal velocity on the free surface are obtained directly by solving the boundary integral equation, with the Rankine source used as the kernel function. An iterative time-marching scheme is employed for updating both kinematic and dynamic free surface boundary conditions to stabilize the calculation. Extensive results including the wave patterns, wave profiles and wave resistances for a submerged spheroid and a Wigley hull with forward speed are presented to validate the efficiency of the proposed 3-D time-domain higher-order approach. Finally, the sensitivity of ship-generated waves to the water depth is investigated. Computed results show satisfactory agreement with the corresponding experimental data and other numerical solutions.     

基于近似黎曼求解器的三维浅水方程组求解方法

将求解平面二维浅水方程组的Godunov型有限体积法扩展至求解三维浅水方程组,建立具有激波捕捉特性的三维数学模型,将扩大三维浅水方程数学模型的应用范围。模型中湍流封闭采用非线性K-ε模型,水平方向数值通量采用HLLC近似黎曼求解器计算。为改善数值格式稳定性,垂向扩散项采用隐式离散,且在局部小水深处将三维模型退化为水深平均平面二维模型,所开发的模型在形式上具有时、空二阶精度。随后采用水跃、干河床溃坝洪水演进等算例对模型进行检验,结果表明:该模型具有较好的稳定性,能保证静水平衡,在间断解处能给出高分辨率的数值解,并具有较好的干湿边界模拟能力。     

清水冲刷河床粗化数学模型

本文建立了大坝下游清水冲刷河床粗化一维数学模型。该模型考虑了非均匀推移质不平衡输移,并引入混合层模式用于模拟河床组成的变化。利用Preissmann隐式格式求解水流方程组,用显式格式求解河床变形方程及床沙级配调整方程。该模型侧重于模拟河床粗化过程,也能用于河床一维变形计算。利用我们做过的清水冲刷水槽实验资料对模型进行了全面的验证,取得了令人满意的结果。     

北大港水库水-土界面盐分释放规律研究

为了研究天津北大港水库水质咸化机理,采用野外取样与室内土柱试验相结合的方法,研究了北大港水库蓄水时底质与上覆水体之间盐分的释放规律。结果表明:底质向上覆水体释放盐分时水体中存在一个明显的盐分渐变区(扩散边界层),该层位于水-土界面以上10cm的范围,底质中释放出的盐分有60%集中在边界层,边界层以上水体盐分垂直变化较小;底质中盐分的累积释放量随时间的变化符合对数函数形式,试验运行前50天中盐分累积释放量占底质盐分总释放量的80%左右;水-土界面处盐分释放通量的变化趋势存在周期性,每个周期内均呈现先迅速增加后缓慢下降。