复杂边界溃坝流与结构物作用过程的数值模拟

光滑粒子动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,简称SPH)方法是一种Lagrange粒子方法,无需网格,抗畸变能力强,能处理大变形、多尺度问题。但是在梯度变化较大的区域精度低、稳定性差;在核近似过程中,由于边界外没有粒子分布,对边界附近的粒子进行求和时,由于粒子不充足会引起边界缺陷问题,而边界缺陷问题会导致在边界上或者在边界附近密度偏小,从而导致压力梯度失真。为了解决边界缺陷问题,需对边界附近的粒子进行修正。应用光滑粒子流体动力学方法(SPH)对二维和三维溃坝波与结构物相互作用过程进行模拟分析,通过对二维和三维溃坝波冲击结构物问题进行数值模拟和分析,合理再现了溃坝波与结构物相互作用的物理过程。     

基于SPH方法的溃坝流动数值模拟

应用光滑粒子流体动力学方法对溃坝问题进行了数值模拟,在现有SPH 方法的理论基础上对密度近似方程进行了重新初始化处理,分析了密度重新初始化对溃坝流动问题的影响,并对SPH数值模拟所得到的结果与试验结果以及移动粒子半隐式方法得到的计算结果进行了比较和分析.结果表明,对密度近似方程进行重新初始化保持了流场内的质量守恒,同时整个计算域内的压力分布更加规则,SPH方法数值模拟得到的结果与实验结果和MPS方法得到的结果非常吻合,验证了改进方案及所编程序的可靠性和计算结果的准确性.     

汛期分洪溃坝波的数值模拟

本文以二维长波方程为基础,将文献[1]中介绍的方法应用于模拟溃坝波运动。假设在波还没到达的区域有一层很薄的水层,此水层的存在不影响波的运动;在分洪口门处利用堰流公式,将二维长波方程与一维圣维南方程联立求解,成功地进行了天津市永定河的泄洪能力及汛期分洪的数值预报。     

基于改进结合界面边界条件方法的矩形柱驰振数值模拟

针对流固耦合问题该文提出了一种改进结合界面边界条件方法,即通过重构界面修正公式,完全消除未经修正的拖曳力,引入新的耦合参数ω/△t以考虑时间步的影响.基于任意拉格朗日-欧拉有限元方法和弱耦合算法求解流固耦合系统.采用CBS(Characteristic-Based Split)稳定化流体有限元算法求解不可压缩Navier-Stokes方程;采用Newmark-β法求解结构运动方程;对流固耦合系统的网格更新,采用子块移动技术结合正交-半扭转弹簧近似法;在流场压力泊松方程中加入质量源项以保证几何守恒律;增加界面处的位移修正,以保持几何连续性.并运用该方法数值模拟了低雷诺数下长宽比4:1的矩形柱驰振,计算结果与已有文献结果高度吻合.     

溃坝涌波的数值模拟

本文利用气体动力学中新近提出的TVD显格式对五个溃坝涌波的模型问题进行数值求解。数值结果表明,这类格式具有高分辨率、高精度、不产生虚假振动而且适应性强。     

溃坝洪水数值模拟

本文通过对某水库溃坝洪水计算,介绍了溃坝洪水计算中的一些简单易行的计算方法。并利用Preissmann四点隐式差分格式对圣维南方程组进行离散,求解洪水的传播。分析表明结果具有较高的精度,所提方法是合理可行的。     

岭澳核电站岭下水库溃坝洪水的数值模拟

基于非恒定流理论，采用一维与二维结合的数学模型全过程、全区域地模拟岭澳核电站岭下水库溃坝洪水的下泄过程及向下游的演进过程，分析了溃坝洪水对厂址及一期核岛的影响。     

基于双流体模型的三维溃坝洪水模拟

在溃坝洪水模拟中,泥沙因素的影响不可忽略。针对坝体溃决中的水沙流动,溃口采用DAMBRK模型中的概化梯形模型,通过欧拉模型即双流体模型成功模拟了溃坝洪水中的悬移质泥沙颗粒。对比来流分别为清水和含悬移质泥沙的水沙流、在下游有村庄阻水和无阻水情况下坝面剪切力的大小,证明悬移质泥沙加快了坝体溃决,下游阻水建筑物对水沙流的破坏有抑制作用,最后给出了河道中泥沙的淤积分布情况。所有模拟结果均符合实际溃坝规律和环境。     

两相流动中椭圆颗粒沉降规律的数值模拟

应用任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法,对椭圆形颗粒在一定雷诺数范围内的沉降过程进行了数值模拟,流体运动由守恒方程计算,通过积分黏性应力和压力获得的颗粒受力来跟踪颗粒运动.结果表明:圆形颗粒与初始时刻长轴垂直于x轴放置的椭圆颗粒,一直沿通道中心线稳定沉降;初始时刻长轴平行于x轴放置的椭圆颗粒,沉降时向一侧壁面旋转靠近,最终也稳定在通道中心线,颗粒长轴与颗粒沉降方向垂直;两种情况下的椭圆颗粒最终沉降速度相同.     

基于SPH-ALE方法的波浪水槽数值模拟

为了精确模拟波浪传播,基于光滑粒子流体动力学及任意拉格朗日欧拉(SPH-ALE)方法建立二维数值波浪水槽,在原SPH方法中引入近似黎曼求解器替代人工黏性项,采用排斥力边界条件防止流体粒子穿透固边界,海绵层内采用指数型衰减函数来消除水槽末端的波浪反射,并对规则波的传播进行数值模拟。结果表明:与采用人工黏性项的原SPH方法相比,SPH-ALE方法能够无衰减地模拟波浪传播,并可有效减小固边界附近的粒子压力振荡。     

溃坝洪水数值模拟

在已有溃坝洪水数学模型基础上建立的溃坝洪水计算模型，可对洪水由库尾向坝址的传播过程、溃坝洪水向下游的推进过程、溃坝洪水漫过堤防后在下游城镇内的淹没过程进行水动力学模拟．利用所建立的溃坝洪水计算模型，对某水电站大坝溃坝洪水在拟定的各工况下进行的坝下游洪水预测表明，溃坝历时、水库上游来流量及溃坝时不同的坝前水位是影响该模型计算结果的主要因素．     

局部断面收缩的溃坝水流三维数值模拟

为研究局部断面收缩对溃坝水流传播的影响,采用压力隐式算子分割法求解雷诺时均方程和RNG k-ε紊流模型,建立了模拟三维局部断面收缩情况下溃坝洪水演进过程的数学模型。采用有限体积法对溃坝水流的控制方程进行离散,利用流体体积函数法处理自由水面,物理变量采用交错网格布置,对局部断面收缩溃坝水流进行数值模拟计算,模拟结果与实体模型试验结果吻合较好。利用该模型研究了溃坝洪水负波的形成和传播过程,得到了负波形成和传播的规律以及溃坝水流的水位变化特征。     

基于光滑粒子流体动力学方法的溃坝水流模拟

受全球气候变暖的影响,由极端天气引发的类似溃坝等问题发生的概率大大增加,深入研究溃坝水流的水动力特性势在必行。在分析光滑粒子流体动力学基本原理的基础上,提出了一种改进的边界处理方法,即将接近壁面的流体视为层流,在耦合动力边界附近引入层流黏性近似边界层理论。采用该方法对溃坝水流进行数值模拟,将SPH数值模拟得到的外轮廓、自由液面高度以及压力与实验结果进行了比较和分析。结果表明：改进的边界处理方法较完整地得到了水流与壁面相互作用而产生的多种复杂的物理现象,其外部轮廓与实验非常吻合;自由表面融合过程中液面间冲击的能量耗散会导致融合后的液面高度存在一些差异;不同监测点处压力随时间的变化基本落在置信区间之内。数值模拟结果与实验结果吻合度较高,验证了改进方案的可靠性和计算结果的准确性。     

三维溃坝问题的数值模拟研究

采用求解三维弱可压流动模型及Ｋ－ε两方程湍流模型的方法，用有限差分法数值求解，研究了三维清坝引起的非定常复杂流场，文中给出一种简单而有效的处理自由面边界的方法，并详细地给出一个三维弱可压的流体动力学计算方法，数值计算表明本文的方法能较好地给出自由面的变化规律及流场的非定常过程．     

下游为干河床的溃坝水流数值模拟

应用二阶TVD—MacCormack格式计算了含间断波的二维浅水流动．模拟算例为下游是干河床、瞬间部分坝体溃决形成的溃坝水流运动．针对该格式，采用恰当的限制器使得解既不产生过大耗散，又具有高分辨率．     

二维溃坝波遇障碍物的水流泥沙数值模拟

本文通过对浅水方程进行Godunov差分离散和对泥沙运动方程进行一阶迎风差分离散,建立了平面l二维溃坝水流泥沙数值模型。在算例中计算了溃坝波遇障碍物后的水流反射、绕射及泥沙冲淤,计算结果表明,溃坝波遇障碍物后会产生明显的反射和绕射,并在障碍物前形成壅水、障碍物的侧面会发生剧烈的冲刷,障碍物前后则会发生局部淤积。本模型能够较好地模拟溃坝间断水流的运动,结果符合水流泥沙运动的基本规律。     

建筑物影响下的堤坝溃决水流数值模拟方法

采用基于非结构网格的有限体积法对建筑物影响下的堤坝溃决水流进行了数值模拟.为模拟建筑物对溃决水流产生的影响,模型采用了三种方法:固壁边界法、真实地形法和加大糙率法.经物理模型验证,当建筑物顶部不过流时,三种方法均能得到较好的计算结果,其中固壁边界法和真实地形法的计算结果基本一致;而加大糙率法由于对反射波的计算不如其它两种方法灵敏,因而在城区内所得的计算水深比其它方法略低一些.     

基于格子玻尔兹曼法的三维溃坝流数值模拟与验证

溃坝问题一直是验证数值模拟方法有效性的经典问题。利用基于格子玻尔兹曼离散方法研发的XFlow软件来模拟三维溃坝问题,以此验证其有效性并提出进一步的改进方向。为了对比前人所做的实验和模拟结果,计算了无障碍三维溃坝流相应监测点的压力、水位等要素,得到了水流演进过程,并提出了用增强固壁函数法处理固壁边界以增强计算的稳定性,另外还考虑了有矩形障碍物的三维溃坝问题。研究结果表明：该方法能捕捉到某一时间点的自由液面,相关数据计算结果准确,且无需划分网格,能减少工作量,但结果稳定性较差,合理运用边界处理方法能有效解决这一问题。     

基于DTM的溃坝风险图编制技术

溃坝洪水风险图对于制定区域防洪应急预案、进行溃坝洪水风险分析是十分必要的.利用BREACH模拟溃口,采用无结构网格有限体积法进行二维溃坝洪水演进计算,利用TIN模型将计算结果可视化,制作成水深风险图、流速风险图、淹没历时风险图、洪水到达时间风险图,并对风险图进行了空间分析.本文充分利用了GIS对空间数据以及空间数据和属性数据联合分析的功能,对溃坝洪水风险图制作的基本原理和方法进行了探讨,并应用于沙河集水库大坝溃坝模拟,具有较强的实用价值.     

韩江南北堤防洪保护区溃坝洪水演进数值模拟研究

洪水分析计算是洪水风险图编制的基础。基于一维、二维水力学耦合模型,建立了韩江南北堤防洪保护区溃坝洪水演进数学模型,分析探讨了韩江南北堤瞬溃后溃口流量水位关系、主要地物特征点的水位和流速变化以及洪水演进过程。结果表明:溃口峰值流量出现在溃坝瞬间,随外江水位下降,溃口流量减小,至溃坝99 h后基本为0。湘桥区距溃口最近,受洪水破坏最严重,最大流速值超过1. 3 m/s。云路镇、登岗镇和湘桥区由于地势较低,最大淹没水深普遍在2 m以上。