水电站尾水河道二维恒定流数值计算与水工模型试验研究

本文以计算河流二维非恒定流偏微分方程组为控制方程,提出在河流边界上采用特征差分方程,在河流内部采用中心差分方程,求解二维水电站尾水河道恒定流的数值计算方法,并推导了全部有关的计算公式。对于恒定流计算是采用从非恒定流到恒定流的计算方法。这比用边值问题求解二维恒定流方程,可免于求解常是不收敛的大型非线性联立代数方程组,因此比较方便。在文中提出了根据河流状态图设计计算机通用程序的方法,并设计了通用程序。同时针对松花江丰满电厂尾水河道水流特性做了水工模型试验、原型观测和数值计算,结果吻合很好。     

河网非恒定流计算的牛顿迭代解法

对描述河网非恒定流的圣维南方程组进行差分，利用牛顿迭代的数值计算方法建立迭代方程组，并应用一种特殊的高斯消元法来求解此方程组；给出了一维河网非恒定流的一个通用解法；用一个实例验证了此解法的可行性。     

基于μ(Ⅰ)颗粒流本构关系的三维滑坡运动模型

滑坡是一种广泛存在并频繁发生的自然灾害,可以采用合适的数值模拟方法对滑坡运动过程进行模拟,进而对滑坡灾害进行分析与预测。基于连续介质理论和μ(Ⅰ)颗粒流理论,可以将Navier-Stokes方程与μ(Ⅰ)本构关系结合起来,得到滑坡体运动的连续性方程和动量方程,形成一种基于μ(Ⅰ)颗粒流本构关系的三维滑坡运动模拟方法。该方法基于Open FOAM开源平台,采用有限体积法对方程进行离散求解,并开发求解器,可以实现对滑坡运动过程的三维数值模拟。本文还对室内粗糙斜面试验进行数值模拟,验证了基于μ(Ⅰ)颗粒流本构关系的三维滑坡数值模拟方法的可行性。     

用多重蒙特卡罗算法研究超细微颗粒物同时发生的凝并和破碎

超细微颗粒物的尺度分布由通用动力学方程（GDE）描述，该文发展了求解同时考虑凝并和破碎的GDE的一种多重Monte Carlo（MMC）算法，该算法可以抛弃当前Monte Carlo算法中广泛采用的“子系统”的概念，引入了加权的“虚拟颗粒”的概念，且基于时间驱动，模拟过程中保持虚拟颗粒数目和计算区域体积不变。首先详细描述了MMC算法，包括时间步长的确定方法、同时处理凝并和破碎的方案、凝并和破碎事件发生的判断准则、凝并伙伴的确定、处理凝并和破碎事件的后果时保持虚拟颗粒数目恒定的方法等：然后利用MMC算法对几种特殊工况进行了数值模拟，模拟结果与理论值符合很好，验证了MMC算法的计算精度，且该算法具有较小的计算代价。     

非统一结构网格下高精度溃坝水流数值模拟

针对溃坝洪水数值模拟面临复杂地形和不规则边界的特点,综合考虑了摩阻项和干湿界面对水流的影响以及模拟精度与运行效率等问题,建立了非统一结构网格下求解二维浅水方程的高精度Godunov型有限体积模型。基于局部Froude数,提出了水深-水位加权变量重构技术,有效模拟了复杂混合流和间断流,并结合Hancock预测-校正法提高了模型精度;引入了一种简单有效的处理方法模拟了运动的干湿界面变化;采用单元中心型底坡项近似处理方法并结合改进的半隐式格式,解决了摩阻项可能引起的刚性问题,提高了模型的稳定性。经典型算例和漳河水库溃坝洪水分析结果表明该模型稳定、精度高且和谐性强。     

基于Simple算法的方腔驱动流问题数值模拟

在计算流体力学的研究中,为了检验各种求解二维纳维司托克斯(NS)方程的数值方法的有效性,常常计算方腔驱动流问题。使用Simple算法求解NS方程,并用Fluent软件对标准计算流体力学测试算例——方腔驱动流问题进行了模拟分析,对不同雷诺数和网格大小下的计算结果进行了研究对比,计算结果与文献中的基准解符合良好。     

水力机械转轮内固液两相流的三维贴体数值模拟研究

本文利用悬浮体固液两相流颗粒群模型的理论研究成果,对在含沙水流中工作的水力机械转轮内部的固液两相流进行了数值模拟研究。首先针对水力机械转轮内部的悬浮体固液两相流的流动特性,通过探讨固液两相间的作用力本构关系式,简化了颗粒群模型中复杂的理论方程,建立了能进行数值模拟的欧拉方程。然后提出了一种新的数值模拟方法,即：在贴体坐标系下采用有限体积法,利用单一网格拟人工压缩技术,解决欧拉方程中的压力－速度关联问题和压力波动问题,并从理论上分析论证了该技术的严密性和有效性。作者利用此技术分别对轴流式水轮机转轮内实际工况下单相流与固液两相流的欧拉方程进行了数值模拟,在计算过程中,该技术能保证数值快速收敛和结果合理。最后对两相流流场的模拟结果进行的分析表明本文提出的数值模拟方法和拟人工压缩技术是成功的     

流体机械非定常流动的涡方法数值模拟

本文描述了一种建立在拉格朗日框架下涡方法的具体算法,主要包括：涡量边界条件的给定,涡量输送方程中拉伸项及粘性扩散项的数值处理,以及根据流场中离散涡元的分布计算流场压力的积分方法。利用该方法对有代表性的流体机械非定常流动现象进行了数值模拟,结果表明基于涡方法基础上的数值模拟法是非常适合于数值模拟流体机械非定常流动。     

基于μ(I)颗粒流本构关系的三维滑坡运动模型

滑坡是一种广泛存在并频繁发生的自然灾害,可以采用合适的数值模拟方法对滑坡运动过程进行模拟,进而对滑坡灾害进行分析与预测.基于连续介质理论和μ(I)颗粒流理论,可以将Navier-Stokes方程与μ(I)本构关系结合起来,得到滑坡体运动的连续性方程和动量方程,形成一种基于μ(I)颗粒流本构关系的三维滑坡运动模拟方法.该...     

基于SCHISM模型的三维两相浑水模型研究

传统水沙模型多采用雷诺平均方程结合含沙量对流扩散方程，并用纯水紊流模型进行封闭。这类模型无法考虑固、液相间作用，在含沙量较大、颗粒粒径较粗时会产生误差。文章采用两相浑水紊流模型对两相浑水基本方程进行封闭。两相浑水理论将固、液两相流看作一个整体，但考虑了固、液相间作用和颗粒碰撞等微观物理机理，而且偏微分方程的数量和形式与传统水沙模型中的基本方程相同，方便将两相浑水理论嵌入至已有的水沙模型中，并应用于河流、湖泊和河口等大尺度水沙流动模拟。首先对两相浑水理论进行梳理，将其转化为三维水动力学模型SCHISM控制方程的形式并嵌入至SCHISM模型中，最终将其应用在经典的二维明渠恒定、均匀流实验、深槽实验和2012年黄河花园口至艾山段洪水过程的三维数值模拟。     

长江涪陵段污染物混合区并行数值模拟

论文探讨用并行计算方法求解河道浅水流动和污染物扩散输移，通过建立并行计算系统工作站机群和采用分步有限元格式对河道水污染问题进行求解，得到了河道内流速和污染物浓度分布。通过将明渠污染物侧向排放问题的计算结果与Mikhail等人的试典型排污口，验数据进行比较，验证了本文并行计算模型的可靠性。并对并行计算的效率和加速比进行了分析，从而显示了并行计算技术对于提高计算速度的潜力。选取了涪陵江段的对建库前后的污染混合区进行了预测，分析了计算结果的合理性。     

大型复杂河网一维动态水流-水质数值模型

建立了非恒定河网一维水流-水质数值模型（THU-River1D）,水动力模块利用最近提出的汊点水位预测-校正（junction-point water stage prediction and correction,JPWSPC）法处理缓流河网汊点处的回流效应,采用Preissmann格式离散Saint-Venant方程组,并采用Newton-Raphson方法求解非线性离散方程;水质模块采用分步法,分别求解对流项、源（汇）项、以及纵向离散项,其中,对流项处理采用改进的四阶显式Holly-Preissmann格式。模型无需特殊的河道编码,既适用于树状又适用于环状河网,还适用于潮汐流动。     

考虑植被作用下的二维溃坝水沙耦合数学模型

基于有限体积法和非结构三角形网格,耦合二维浅水控制方程、泥沙输移方程、河床变形方程建立平面二维溃坝波数学模型。水动力和连续方程均采用浑水方程,考虑了植被对水流、泥沙输移及床面冲淤变化的影响。水动力模型应用二阶精度的Roe格式近似Riemann解计算网格界面的通量,能够精确模拟干湿界面的动边界问题,将静水压力项和植物拖曳力项作为源项反映在动量方程中。应用模型对4个算例进行模拟,并结合实测资料对数值模拟结果进行了验证分析。计算结果表明:本文建立的平面二维溃坝水动力、泥沙耦合数学模型能够准确模拟复杂计算域的溃坝水流演进及床面变形问题。通过对有植被算例的模拟分析发现,滩地种植植物能减少植被区的流速和溃坝波对下游河床的冲刷,但同时也会降低有植被区河道的泄洪能力,导致洪水在上游区水位提升。     

稳态背景流场下超声波流量计内瞬态声场分析

采用Runge-Kutta间断有限元(RKDG)方法对一款Z型超声波水表进行三维数值模拟,计算过程分为流场计算和声场计算两个部分。采用标准k-ε模型获得超声传播的稳态背景流场。对声学变量作线性化假设,从欧拉方程、连续性方程和状态方程中获得绝热状态下声传播的控制方程。在发射换能器的端面定义法向速度边界条件,以图形化的形式展现超声波在顺流情况下的传播过程。切换发射和接收换能器的相对位置,重新计算得到声波逆流传播时相应接收换能器端面的平均声压分布。对比顺、逆流情况下换能器端面平均声压分布,通过曲线拟合得到的传播时差值要小于实验得到的时差值。该方法为模拟声波在复杂结构和流动中传播提供可能性。     

淹没植被浅水明渠流的非对数流速分布规律

随着对生态环境的日益重视,有关植被的水力学研究近年来进展迅速.对于淹没植被,现有的研究一般认为植被表层水流仍满足对数分布.但在浅水情况下,表层水流流速明显偏离对数规律.本文首先通过改变表层水深、植被杆径和密度,开展了淹没植被浅水明渠流多工况水槽实验,并运用激光多普勒测速仪对垂线流速分布进行了测量;然后结合Prandtl...     

单桩式基础应用于我国海上风电的可行性探讨

结合国外海上单桩式基础建设成果,对比我国浅海地区地质地貌条件,分析得出单桩式基础优于其他基础形式,更加适用于我国浅海海域的风电开发。通过借鉴江苏如东潮间带风电场二期单桩基础建设经验,对单桩基础在我国海上风机建设的可行性与适用性进行了论述。通过对荷载、设计方法、桩基制作能力、施工方案的全面分析,阐述了该种基础形式在我国应用的可行性,为未来我国大规模海上风电建设提供有益参考。     

加热单元凝结水流量平衡方程及其应用

提出了加热单元凝结水流量平衡方程，能够处理具有多股辅助流量的流量计算问题。加热单元的凝结水总流量等于加热单元各股输出流量单独存在时凝结水流量代数和。根据加热单元凝结水流量平衡方程，导出了用凝结水流量核算给水流量的通用方法，可灵活考虑加热单元的各种辅助汽水过程对给水流量的影响，该方法简捷、实用，无需迭代。通过例子进行了验证。根据单元凝结水流量叠加原理，导出了循环函数法中锅炉进水系数计算通式，简化了循环函数法。在循环函数法中，辅助循环中的最低压力加热单元可分解为一个正向单元和一个逆向单元，揭示了循环函数法的本质。     

DCMLCC谐振变换器优化控制的数字化实现

基于断续模式串并联(Discontinuous Current Mode LCC,简称DCM LCC)谐振变换器的数学模型,提出了LCC谐振变换器在DCM下的优化控制方法的数字化控制程序实现,使原来断续的谐振电流达到了临界断续的工作模态。根据LCC谐振变换器数学模型中关于临界断续频率的公式,利用现代高速数字化控制芯片,实时采样电路的运行状态,在此基础上以临界断续频率为上限,调整电路工作频率,实现了优化控制方式下的调频调压。在搭建的实验样机上完成了优化控制方式的实验,其结果验证了控制方法的可行性。     

输配水系统明满瞬变流全窄缝数值模型

发生在输配水系统中的明满流交替过程是引起系统破坏的主要原因之一。准确模拟发生在输配水系统中的混合明满流瞬变过程,是亟须解决的技术难题之一。然而,常用的Preissmann窄缝法无法模拟含负压流的瞬变过程,很大程度上限制了该数值模型的适用范围。本文耦合二分压力法及Preissmann负窄缝思想,建立了一套可模拟求解非恒定明流、含负压的有压瞬变流及含负压的明满交替混合流数值模型,并基于CFL约束条件提出了对负压流与明流的判别方式。通过明渠充水、有压管道水锤及充水过程中关阀形成的明满流交替及水锤同时作用的复杂算例表明：本文所建模型突破了传统Preissmann窄缝法不能模拟负压的局限及二分压力法判别明流及满管负压流的困难,实现了对不考虑气液两相相互作用下的明满交替瞬变流的准确模拟。     

Discontinuous Galerkin solver for Boltzmann-Poisson transients

We present results of a discontinuous Galerkin scheme applied to deterministic computations of the transients for the Boltzmann-Poisson system describing electron transport in semiconductor devices. The collisional term models optical-phonon interactions which become dominant under strong energetic conditions corresponding to nano-scale active regions under applied bias. The proposed numerical technique is a finite element method using discontinuous piecewise polynomials as basis functions on unstructured meshes. It is applied to simulate hot electron transport in bulk silicon, in a silicon n ⁺-n-n ⁺ diode and in a double gated 12 nm MOSFET. Additionally, the obtained results are compared to those of a high order WENO scheme simulation.