湖泊三维流场数值模拟及其在东湖的应用

该文精细化模拟了湖泊流场的时空变化,建立了?坐标系下的湖泊三维水动力数值模型。该模型采用非结构三角形网格和垂向?坐标来剖分计算区域,空间上采用有限体积法离散三维水动力方程组,时间上采用模式分裂技术,外模求解中,采用修正的四阶龙格库塔格式求解二维垂向积分方程时变项,运用Osher格式计算跨边界法向通量,获得水深分布和垂向平均流速。求解三维内模动量方程时,模型采用显示与隐式相结合的方法求解三维水流运动方程组,获得三维流场细节。在数值模拟中全面引入三维GIS技术来辅助完成前处理、后处理与可视化任务,以提高建模效率和减低建模成本。并以武汉东湖为研究示范,对不同气候条件下湖泊的三维流场结构和变化规律进行了深入分析,验证了三维水动力数值求解方法的有效性。     

海湾潮流运动的三维数值模拟研究

针对平面二维数学模型在预测分层流等方面的不足,考虑到海湾岸线和海底地形的复杂性,采用非结构网格上的有限体积法建立了海湾潮流运动的三维数学模型。模型垂向采用σ坐标,动量方程求解考虑地球自转科氏力。数学模型求解采用显式差分技术,采用CFL数作为迭代计算的收敛控制条件。以深圳大鹏湾为例,采用三维数学模型计算了典型大潮、小潮条件下的水动力场。对不同潮型下的潮流流速、流向进行了验证,对湾内的潮流流场进行了分析。结果表明:三维数值计算结果和实测数据符合较好,证实了三维数学模型的可靠性。     

河口准三维涌潮数学模型研究

本文依据近年来计算流体力学在计算格式方面的最新成果，提出了一种用于计算包括涌潮在内的近海三维流场的数学模型。模型中，控制方程采用。坐标变换形式；底部摩阻采用对数流速率；运用肛k-ε紊动模型计算垂向紊动粘滞系数，使模型较好地给出水平速度的垂向分布。数值方法上，采用有限体积法离散方程，并用Osher格式计算有限体积交界面通量，使得模型可高精度地捕捉间断；水平方向用无结构三角网格，较好地适应不规则形状边界；用该模型模拟了明渠均匀流和概化河口涌潮的水流运动规律。计算结果表明模型可用于河口区涌潮流场计算。     

滑坡涌浪垂面二维数值模拟

 根据可压缩流连续方程和Navier-Stokes方程，推导出滑坡涌浪的控制方程，并建立了垂面二维滑坡涌浪数学模型。采用非规则贴体网格有限体积法和显示MacCormack法步进求解方程，并且利用新滩滑坡的相关资料进行了验证。结果表明，模型的计算值与原型观测值吻合较好。     

伶仃洋三维流场数值模拟

使用σ坐标变换技术，将（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）坐标系中的三维非线性Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程转换成（ｘ，ｙ，ａ，ｔ）坐标系中的方程，采用有限差分方法进行离散求解，用垂向（σ向）积分的连续方程求解水位，用动量方程求解流速垂直结构，在水平方向上使用非交错正方网格，σ向等间距分层，从而建立三维流场数学模型。应用本模型对多口门、多岛屿、地形及岸线复杂的伶洋的枯季、洪季流场进行了数值模拟。将模拟结果与多个水位、流速同步测站的实测资料进行比较，无论是水位、垂线平均流速、流向过程线还是流速的垂向分布形式与量值，二者均吻合较好。根据模拟计算结果，对伶洋流场的平面及空间结构特征进行了分析。     

桥墩群对河道水流影响的三维数值分析

该文采用具有自由水面和河床切应力计算的三维数学模型分析了桥墩群对河道水流的影响。计算利用标准的k-ε紊流模型求解N-S方程得到三维流场,通过对运动方程的垂向平均积分得到求解水位的泊松方程,将该模型应用到不同收缩比条件下桥墩的绕流壅水计算,结果与物理试验值拟合较好。在实际应用中,模型比较了凉水河北京南站段桥墩群修建前后河道水位和三维流场的变化情况,分析了桥墩群对河道三维水流与水位的影响,为该段河道的整治以及规划设计提供参考。     

小浪底水库三维水沙数学模型初步研究

采用基于交错网格的有限体积法,对转换得到的贴体坐标系下的三维动量方程和к-ε方程进行了离散,采用SIMPLE-C方法对速度场和压力场进行了耦合求解,并通过求解基于二维水深方程的Poisson方程来确定自由面,固体边界则采用壁面函数法处理.三维方腔流的计算结果表明,模型有着良好的稳定性,且精度可以满足要求.     

C-D无结构网格上的三维自由水面非静水压力流动模型Ⅰ：算法

为准确模拟垂向运动尺度较大的水流运动,本文基于压力分裂模式和半隐方法提出了C-D无结构、z坐标网格上的三维非静水压力流动模型的构造方法,并详细论述了模型的求解过程。模型先在忽略动水压强项的隐式部分的条件下求解控制方程,获得比较接近的初始解;再考虑动水压强项的隐式部分并求解一个关于它的三维Poisson方程,因此计算容易收敛。本文模型与传统的C网格上的非静水模型相比,增加了对水平切向动量方程的求解,消除了因C网格的简化处理所带来的精度损失。控制方程用有限体积-有限差分法离散,自由水面用水位函数法处理。对水位η和动水压强q分别采用不同的隐式因子以兼顾各自稳定和精度的要求。压力分裂模式、θ半隐方法和欧拉-拉格朗日方法(ELM)等的联合使用使得本模型具有简单、稳定、高效的特点。     

基于非结构化网格上的三维微幅表面流动非静压数值模型

建立了基于非结构化网格求解三维微幅自由表面流动非静压数值模型.一种有限差分法和有限体积法相结合的方法被用来在非结构化网格上离散控制方程.模型中采用分步法,以使压力项分解为静水压力项和动水压力项来单独处理.在每一时间步,得到关于水位和由压力泊松方程得到的动水压力的稀疏的线性方程组.模型是质量守恒的和对于重力波速、风应力、底摩阻、垂向黏性无条件稳定的.通过三个非恒定微幅自由表面流动算例的数值解和解析解的比较,验证了本文所建立的模型能够准确有效的预测三维微幅自由表面流动.     

C-D无结构网格上的三维自由水面非静水模型:Ⅰ-算法

为能准确地模拟垂向运动尺度较大的水流运动，本文基于压力分裂模式和半隐方法提出了C-D无结构、z坐标网格上的非静水压力模型的构造方法，并详细论述了模型的求解过程。模型先在忽略动水压强项的隐式部分的条件下求解控制方程，获得比较接近的初始解；然后，再考虑动水压强项的隐式部分并求解一个关于它的三维Poisson方程，因此计算容易收敛。本文模型与传统的C网格上的非静水模型相比，增加了对水平切向动量方程的求解，消除了因C网格的简化处理所带来的精度损失。控制方程用有限体积—有限差分法离散，自由水面用水位函数法处理。对水位η和动水压强q分别采用不同的隐式因子以兼顾各自稳定和精度的要求。压力分裂模式、θ半隐方法和欧拉—拉格朗日方法（ELM）等的联合使用使得本文模型具有简单、稳定、高效的特点。     

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。     

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。     

PRESSURE CORRECTION METHOD ON UNSTRUCTURED GRIDS

In this paper, an unstructured, collocated finite volume method for solving the Navier-Stokes equations was developed by virtue of auxiliary points. The derivatives were determined by the Gauss theorem. The proposed method could provide control volumes with arbitrary geometry and preserve the second order accuracy even if highly distorted grids are used. Although arbitrary number of cell faces can be used, the hybrid quadrilateral/triangular grids are more desirable for the simplicity of implementation and applications to engineering problems. The pressure-velocity coupling was treated using a SIMPLE-like algorithm. The Generalized Minimum Residual (GMRES) method with the Incomplete LU (ILU) preconditioner was used to solve linear equations. Four test cases were studied for validating the proposed method. In using this method, grid quality is not important. Thus, engineers can pay mostly attention to physical mechanism of problems. Turbulence models can be simply integrated and the method can be straightforwardly extended to treat three-dimensional problems.     

三角形网格生成法在海岸工程潮流数学模型中的应用

基于Ｐｏｉｓｓｏｎ方程网格生成法，考虑到海岸工程的复杂性，分区处理了Ｐｏｉｓｓｏｎ方程的源项，得到了适应海岸工程布置的三角形网格。该网格在庄河海域港池航道开挖潮流数学模型计算中，较好地反映了工程建设前、后的潮流形态，还避免了由于网格划分不理想带来的计算误差。     

桥渡壅水平面二维数学模型模拟研究

本文根据圣维南基本方程组,建立了平面二维非恒定流桥渡数学模型方程,通过坐标变换,以边界拟合坐标生成二维均匀正交网格,在交错网格上采用交替方向的全隐差分格式进行离散化代数方程计算。通过桥渡流场的实例计算,在水位、流速分布、分流比和桥渡壅水等方面取得了令人满意的结果,该数学模型对于弥补和配合物理模型进行桥渡问题的研究具有重要作用。     

NUMERICAL SIMULATION OF 2D HORIZONTAL COOLING WATER DISCHARGE IN GENERALIZED CURVILINEAR COORDINATE

1. INTRODUCTIONResearch on the movement characteristics ofcooling water is a hot spot presently , which hasgreat significance to maintain the balance of eco-logical system. Mathematical models and physicalmodels are major means for this study .In recentyears , Chen[1 ,2]has presentsed a 2D horizontalmathematical model based on the hybrid methodand finite element mesh, Zhang[3]has provided afinite layer model for 2D thermal density flowinopen channel . Wu[4]has developped an unsteady2D h…     

基于等高线的真实地形CFD建模方法

引入逆向工程建模思路,基于地形等高线,提出了一种真实地形CFD(Computational Fluid Dynamics)建模方法。通过对GIS地形数据的下载与处理,提取出研究区域等高线,进而利用等高线创建三角网格模型,结合逆向工程技术与三角网格模型生成地形网格模型。结果表明,该方法操作简便、生成模型精度高且建模效率高,有效地解决了使用常规建模方法存在的数据处理复杂、模型精度低以及不适用于大面积真实地形情况等问题,为真实地形的CFD数值模拟提供了支持。     

基于非结构网格的分蓄洪区水沙演进数学模型研究

基于非结构三角形网格,采用有限体积算法,建立了分蓄洪区水沙演进数学模型.模型网格能很好适应分蓄洪区复杂的边界条件,应用了DEM数字模型插值技术,能快速获取计算域的地形数据,实现了洪水演进过程中泥沙输移和河床冲淤变形的同步模拟.模型中还对网格划分、数值离散、动边界及干河床处理等关键技术进行了研究,并提供了相应的处理方法....     

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。     

非交错曲线网络的水流数值计算模型

在非正交边界拟合曲线坐标系下，建立非交锚网格变量布置的水流计算 模式。采用逆变速度分量作为独立计算变量。为避免出现棋盘格式压力场物理上的非真实解，采用动量插 值方法计算交界面处的流速插值，运用压力 校正法（SLMPLE、SIMPLEC或 SIMPLER）求解离散方程，并对S型弯道水流运动 进行数值计算。