双向嵌套法及其在水力计算中的应用

在水力计算数值模拟中 ,计算的网格步长约束着计算精度和工作量 ,计算的范围、计算的网格尺度和计算量总是一对矛盾 .以平面二维水流运动方程为基础 ,兼顾到计算的网格步长、时间步长和计算的范围 ,应用了双向嵌套网格法 .工程算例表明 ,双向嵌套网格法具有减少计算工作量、提高模式计算精度的特点     

基于非结构网格的长江口二维三维嵌套潮流数值模拟

三维数学模型多应用于局部水域,无法模拟模型周边的大范围流场.为解决此问题,基于非结构网格有限体积法,建立了长江口二维三维潮流嵌套数学模型.模型嵌套边界采用近似处理方法,假设嵌套边界处网格单元分层水平流速服从多项式分布,该处理方法嵌套边界处的三维计算存在一定误差.将模型应用于长江口大范围水域潮流模拟计算.结果表明,潮位及二维三维潮流验证良好,计算精度满足规范要求,这说明该方法能够模拟大范围水域的二维及三维潮流运动.     

基于多重网格的地表水文与二维水动力动态双向耦合模型研究

针对流域洪涝模拟模型的计算精度、格式稳定性及计算效率等问题,本文提出基于多重网格技术的地表水文与二维水动力动态双向耦合模型(M-DBCM)。地表水文模型采用非线性水库法模拟降雨产流和径流;二维水动力模型采用浅水方程模拟洪水演进过程。采用不同分辨率的网格划分计算区域,在粗网格区域采用地表水文模型模拟降雨径流过程;在细网格区域采用二维水动力模型模拟洪涝积水区的水流运动。地表水文和二维水动力模型通过内部耦合移动界面(Coupling Moving Interface, CMI)实现无缝连接,保证通过CMI的水量和动量等通量守恒,提高模型的模拟精度。采用时间显式格式同时求解地表水文和水动力模型,在不同区域采用不同的计算时间步长,以提高模型的计算效率。通过典型案例验证本文构建的耦合模型的性能,结果表明本文提出的动态双向耦合模型能够在保证模拟精度的同时提高计算效率。     

渗流自由面数值模拟方法比较

结合最新提出的自由面适应网格法,与现行的2种固定网格法即变单元渗透系数法和初流量法进行数值模拟比较,以探讨各种方法在自由面渗流计算中的优缺点及其应用情况。试探性地选取3种固定网格方法进行系统的比较,即在精度、迭代步数、网格敏感度、初设自由面敏感性上进行多方位比较,分析各方法的灵活性、鲁棒性、数值稳定性、计算效率和可靠性...     

组合网格法在无压稳定渗流中的应用

针对无压稳定渗流分析过程中常遇到的线形结构问题,提出将组合网格法应用于无压稳定渗流计算。采用两套独立的网格,对整体区域采用尺寸较大的粗网格进行模拟,不考虑线形结构的影响,在线形结构附近则采用尺寸比较小的细网格进行模拟,考虑线形结构的影响。计算在粗细两套网格之间迭代调整,直到达到收敛精度。组合网格法大大简化离散工作量,且适应于非规则网格。数值计算结果表明,组合网格法合理可行,计算程序可靠,这为线形结构的无压稳定渗流分析提供了一种思路和方法。     

浮动网格法和ANSYS结合坝体不均匀剖分时的温控计算

由于非均匀剖分在坝体温控计算中是不可避免的,而通常采用的浮动网格法在处理该问题时实现计算编程很困难,文中提出了用大型有限元软件ANSYS和自己编制的有限元计算程序相结合的方法,来处理在坝体不均等网格剖分的情况下坝体的温控计算,实现了在大体积混凝土温控计算中网格浮动法的普遍应用.     

线性椭圆型方程的数值网格生成方法

用椭圆方程生成的数值网格是一种贴体网格；传统的网格生成方法需求解一组非线性的椭圆型偏微分方程，非线性椭圆型方程的求解非常困难且精度以影响，本文对此进行了深入的理论研究，提出了“用求解线性的椭圆型方程直接生成贴体网格”的新方法；新方法简单且易于实现，并从理论上克服了传统方法存在的不足，因此，它对计算流体力学的发展具有一定的理论意义和实用价值。     

隧洞涌水量数值模拟不同网格加密方法对比研究

突水突泥事故是隧洞工程施工过程中常见地质灾害之一，因此在施工前期对于隧洞涌水量的预测和计算工作尤为重要。由于数值模拟计算法中存在关键参数选取的科学依据不足、不同网格加密方案的计算效果难以评估等问题，首先建立三维地下水稳定流模型，确定Drain模块中排水系数C的取值，再采用粗网格、细网格、Quadtree和Nested grid四种不同的网格加密方法进行隧洞涌水量数值模拟计算，分析评价各方案的优劣及其适用性。结果表明：(1)涌水量Q随C值快速增大后趋于稳定，说明C值在一定范围内影响Q的计算结果；(2)细网格、Quadtree以及Nested grid模型，比粗网格模型模拟精度高，更能准确地刻画因隧洞开挖导致的地下水位变化情况；(3)和细网格模型相比，两种非结构化网格模型的网格总数较少，模型运行时间短，在没有大幅度降低模拟精度的前提下，运行效率更高，且Quadtree网格具有逐级渐变加密的优势。     

基于无网格法的周期性波浪荷载作用下饱和土体动力响应分析

基于饱和土体Biot理论,采用无网格单元法分析了周期性波浪荷载作用下的饱和土体动力响应。根据移动最小二乘法,将饱和土体的位移、孔隙水压力进行移动最小二乘法离散,位移边界采用拉格朗日乘子法,将位移约束条件引入得到控制方程组。研究表明,无网格法的节点规则与不规则分布都可得到问题解,但相对而言,规则节点分布可以提高计算精度,不规则节点分布的计算结果也能够达到合理的计算精度。相对于有限元法,采用相同时间步长积分,无网格法能够避免计算结果的振动性。     

边界层网格尺度对泵站流场计算结果影响研究

壁面处的y+值是体现壁面边界层网格尺度的主要参数,对泵站流场数值计算结果有重要影响。为明确不同计算目标对y+的依赖性,以一泵站为研究对象,在网格数量无关性检查的基础上,从网格划分难易程度、数值计算精度和效率方面提出3种网格划分方案:全局非结构网格方案,指定边界层高度的全局非结构网格方案,以及指定边界层高度的分块结构网格方案,对应的y+值分别为10~2 000、10~1 000、10~500。方案二与方案三在模拟得到的流速分布均匀度方面几乎没有差别,涡量场的漩涡数量、涡量值和漩涡核心区分布位置也非常接近,而方案一则与之相差较大。研究发现,当只需了解泵站宏观水力性能时,可采用简单易行的方案一所对应的网格方案,y+范围可适当放宽到0~2 000;当要预测进水部分流场的流动特性,特别是漩涡分布特性时,需确保y+位于1 000以内,可采用方案二的网格方案;若对进水流场进行详细研究,或者进行除涡装置的研究时,则需使得整个计算域的y+满足30~500的要求,即采用方案三的网格方案。     

时间步长及网格尺度对物质输运数值模拟结果的影响

采用二维平面水动力一传质数学模型模拟了明渠有限时间排放源的情况下,保守物质在水流中的输运过程。计算了不同时间步长及网格尺度情况下保守物质的浓度分布变化情况,得到了多组次的平行计算结果。数值模拟结果表明,保守物质投放后,随水流逐渐向下游推移,在对流稀释和扩散作用下,峰值浓度逐渐下降;在保证计算稳定性的前提下,计算结果对时间步长不敏感;网格尺度对计算结果的影响局限在一定的区域内,但其影响程度与范围远较时间步长变化的作用明显。     

无网格法和有限元法的比较

无网格法是在有限元的基础上发展起来的新的数值方法,在处理大变形或网格"畸变"等问题时具有明显的优势.有限元法的形函数和离散系统方程是建立在网格上的,而无网格法在问题域中采用一系列分散节点来建立场变量插值,形函数定义于全域,随插值节点的移动而变化,故无网格法具有更高的计算精度,前处理工作量大大减少,无需后处理过程.由于无网格法中系统刚度矩阵较大,因此需要更多的CPU计算时间.     

基于双坐标系的水流场自适应网格优化算法

为了使Delft3D更充分的发挥水流场计算的优势,该文针对Delft3D四边形网格的特征,创建了适宜描述网格调整过程的双坐标系,并基于对网格品质、计算量与计算精度的多重考虑,提出了一种网格自适应优化算法,既保证网格品质控制在工程误差允许的范围内,又可最大限度的降低计算量。经过实际编程试验可知,该算法对软件初始生成的网格的优化处理过程,不仅无须人工确定网格规模,且以最低的计算量实现比Delft3D软件本身自带的优化模块,更加符合水流场的流线排布,同时网格的正交性更优,即自动实现网格规模、品质、贴体程度与计算量的最佳匹配。     

混合网格及其数值模型

本文提出了一个描述不规则的三维天然水域的数值网格系统，以及与该网格系统相适应的流动和温度输运数学模型，详细论述了该数值网格生成的主要原则和方法，给出了守恒形式混合网格算法的控制方程，以及基于压力－速度校正算法推导出的基本控制方程的离散表达式。天然水域的混合网格系统，在水平方向上是正交贴体坐标系；在垂直方向上则是笛卡尔坐标系。在该坐标系统中，水平面上的正交贴体坐标系（ＢＦＣ）与岸线精确地吻合；铅垂方向则采用笛卡尔坐标系中的堵塞技术使之与底部边界吻合。本文还给出了一个９０°弯曲天然河道混合网格生成和流场初步计算算例，该算例表明混合网格及其相应的数学模型，克服了目前工程界计算三维天然水域常用的锯齿形网格法的主要缺点，有效地提高了天然水域中流动和污染输运数值计算和模拟的精度。     

多重网格法抗滑稳定计算精度分析

介绍了改进的多重网格法的基本思路及程序编制步骤,并通过算例验证了程序的可行性。高斯点个数和滑面网格疏密对多重网格法精度的影响的研究结果表明,改进的多重网格法插值结果与理论解比较接近,误差率在1%以下,且高斯点个数为5时结果最接近理论值;滑面网格的疏密程度与有限元模型网格越接近结果越理想。     

迷宫堰有限元内力分析

本文用有限元法对迷宫堰结构进行了计算，并分析了网格划分的疏密及地基范围的选取对计算精度的影响，计算表明，采用８─２１结，点单元，在主要荷载是面力的情况下，网格划分的疏密对计算精度影响较大。文中还用有限无法计算了迷宫堰的固有价率。并分析了堰高、展长和堰墙厚度对固有频率的影响，以供迷宫堰结构设计参考。     

贴体正交曲线网格自动生成技术研究

水流数值计算中计算网格好坏直接影响计算的收敛和精度,对二维曲线网格生成技术进行介绍,选择Poisson方程作为坐标转换方程,依据恒定摩阻流为有势流的特性,借助流线与势线正交的机理,导出以网格间距变化为调节因子的曲线坐标方程,并给出具体的算例.该方法简单、可靠、适应性强,可以解决水流数值计算前处理工作量大的困难.     

迷宫堰有限元内力分析

本文用有限元法对迷宫堰结构进行了计算，并分析了网格划分的疏密及地基范围的选取对计算精度的影响。计算表明，采用８－２１结点单元，在主要荷载是面力的情况下，网格划分的疏密对计算精度影响较大。文中还用有限元法计算了迷宫堰的固有频率。并分析了堰高、展长和堰墙厚度对固有频率的影响，以供迷宫堰结构设计参考。     

差分模型网格嵌套边界技术在工程潮流计算中的应用

本文对差分模型的网格嵌套技术作了介绍，提出流速梯度项εｕ／εｓ是不可忽视的边界控制条件，并给出了采用线性插值获取εｕ／εｓ值的处理方法，通过实际算例证明网格嵌套技术在实际工程潮流计算中的作用。     

基于动网格模型的弹簧式灌水器流场数值模拟研究

弹簧式灌水器因其灌水均匀,流量稳定等优点得到广泛应用,但由于弹簧式灌水器内部结构复杂,进一步研发和优化受到阻碍,为获得灌水器流道相关水力性能的关系,采用动网格及UDF(用户自定义函数)技术,对弹簧式灌水器的流动进行了三维静态及三维动态数值模拟对比研究,将计算值与试验值对照分析,获得水头损失、上下游压差力与流量之间的关系。结果表明:三维动网格模型与三维静网格模型的计算精度接近,但三维动网格模型能更真实地模拟出三维静网格模型所不能反映的运动边界。