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。     

求解非均质多孔介质中随机水流问题的多尺度有限元降基方法

为高效求解地下非均质多孔介质中的随机水流问题,通过构造一组独立于随机参数取样的多尺度有限元降基函数和生成一个降阶多尺度模型,发展了一种多尺度有限元降基方法(RMsBM)。并应用矩阵离散的经验插值方法(MDEIM)仿射分解非仿射的随机参数问题的离散系统以加速降阶模型的在线计算。为评估所提出方法的性能与效率,对随机非均质多孔介质中的饱和水流问题执行了若干数值试验。数值结果表明:所提出的RMsBM通过选择合适的粗网格和最优数目的局部多尺度降基函数,可在维持良好计算精度的同时,显著提高在线计算效率。     

一种模拟非均质介质中地下水流运动的快速提升尺度法

本文提出了一种用于模拟非均质介质中的地下水流运动的快速提升尺度法。该方法改进了粗网格单元的细剖分方法,能够在保证水头精度的前提下,用远少于传统剖分法所需的内点将粗网格单元剖分为相同数目的细网格单元,减少构造基函数所需的求解未知项,大幅降低计算量。通过对非均质介质中的二维稳定流以及非稳定流的模拟,快速提升尺度法的结果与解析解吻合得很好。与传统提升尺度法相比,该方法的精度与其相近,但节省了90%以上的计算时间。在求解大尺度、长时间或者复杂问题时,该方法的效率更高。     

裂隙岩体渗流的光滑多尺度随机配点法

针对非均质裂隙岩体的随机渗流问题,提出光滑多尺度随机配点法。其基本思想是基于稀疏网格随机配点法将随机问题简化为相应配点处的非耦合确定性问题,利用有限全局信息构造多尺度基函数,捕捉材料的非均质性和流体流动的耦合关系,引入梯度光滑技术组装粗网格单元相关矩阵,将小尺度非均质信息体现到大尺度上,由此在粗网格上对问题进行求解。同传统多尺度随机配点法相比,光滑多尺度随机配点法在组装粗网格单元相关矩阵时将研究区域的内积分转化为边界积分,无需求解基函数的连续形式及导数,简化了程序,并且使有限元系统得到一定程度的"软化"。数值算例结果表明:光滑多尺度随机配点法比传统多尺度随机配点法具有更高的精度和效率。     

正交曲线网格在导流明渠模拟中的应用

由于在天然河道中修建导流明渠后,过流边界比较复杂,建立数学模型时划分网格难度较大,因此对于明渠水流的数值模拟研究尚不多见.采用非结构三角形网格能较好地划分复杂的计算区域,但对于导流明渠这类人工开挖的规则边界,地形插值后在渠道边坡上形成锯齿状地形,导致边界附近的水流模拟失真.采用局部连续的正交曲线网格划分计算区域,同时保证网格的贴体与良好的正交性,且能较精确地模拟人工开挖边坡,保证计算的稳定性与精度.建立了用于模拟导流明渠流场的平面二维水流数学模型,采用有限差分法求解水深积分方程.数值模拟结果与物理模型测量结果吻合较好,表明建立的数学模型能合理地模拟明渠内的水流.     

正交曲线网格在导流明渠模拟中的应用

由于在天然河道中修建导流明渠后,过流边界比较复杂,建立数学模型时划分网格难度较大,因此对于明渠水流的数值模拟研究尚不多见.采用非结构三角形网格能较好地划分复杂的计算区域,但对于导流明渠这类人工开挖的规则边界,地形插值后在渠道边坡上形成锯齿状地形,导致边界附近的水流模拟失真.采用局部连续的正交曲线网格划分计算区域,同时保证网格的贴体与良好的正交性,且能较精确地模拟人工开挖边坡,保证计算的稳定性与精度.建立了用于模拟导流明渠流场的平面二维水流数学模型,采用有限差分法求解水深积分方程.数值模拟结果与物理模型测量结果吻合较好,表明建立的数学模型能合理地模拟明渠内的水流.     

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。     

有限差分异质多尺度方法求解非饱和土壤水流问题的计算效率 （Ⅱ） ：数值实验

以控制体尺度取粗网格尺度的一半为例,探讨有限差分异质多尺度方法(FDHMM)求解非饱和土壤水流问题的计算效率。考虑两种不同的本构关系,把这种数值方法应用于包括不同的土壤质地和边界条件的几个测试例子中。在应用FDHMM模拟非均质非饱和土壤中的水流问题时,对于局部微观模型的求解,既考虑Dirichlet边界也考虑周期边界。数值实验表明:在仅使用一半微观信息的情况下,FDHMM能够有效地模拟特定土壤中的非稳定非饱和水流问题,单胞问题使用Dirichlet边界条件的FDHMM能大幅度地节省计算费用。数值实验还表明:FDHMM能够获得准确的全局质量守恒,且是一个全局收敛的算法。     

基于随机水流网络的土壤水非均匀运动数值模拟

用显色示踪方法通过试验研究了黏土的非均匀流动模式,建立了离散网络模型,根据土体的统计特征描述相互作用的大孔隙和流动通道,构建水流运动的网络系统与小孔隙连续介质的耦合模型。用控制体积有限元法求解两区土壤水分运动的基本方程,采用整体法将土壤基质水流运动方程和不规则水流网络区水流运动方程耦合,解决了网络通道交叉引起的水流相互影响的问题,提高了计算效率。模拟与实验结果对比表明,离散网格模型及方法较好地描述出了优先流运动的特点,比等效连续体模型更为有效的刻画了土壤水流非均性规律。     

FEFLOW在模拟大区域地下水流中的特点

大区域(大尺度空间范围上的)地下水系统通常由不同的地貌单元组成,水文地质条件复杂,建立地下水流模型的目的和要求、水文地质结构、流场、参数分区、各种补排项概化和处理方面与小区域模型有较大的差异,因此建模的准则也不同.FEFLOW对含水层分层、单元剖分、离散点插值、数据转换、边界条件赋值、河流边界、含水层均衡项等处理的特点,提高了建立地下水流模型的效率,使它更加适宜于建立大区域地下水流模拟模型.     

Coupling of CFD model and FVCOM to predict small-scale coastal flows

In order to accurately simulate small-scale coastal ocean phenomena, we propose to couple a computational fluid dynamics (CFD) model with the Unstructured Grid Finite Volume Coastal Ocean Model (FVCOM). The CFD model resolves small-scale flows, the FVCOM predicts large-scale background currents, and the resulting hybrid system is able to capture flow phenomena with spatial scales from centimeters to hundreds of kilometers. The coupling is two-way and realized using domain decomposition with aid of Chimera overset grids. Numerical examples are presented to demonstrate the feasibility and performance of the proposed hybrid approach.

     

Evaluation of SIFOM-FVCOM system for high-fidelity simulation of small-scale coastal ocean flows

This paper evaluates the SIFOM-FVCOM system recently developed by the authors to simulate multiphysics coastal ocean flow phenomena, especially those at small scales. First, its formulation for buoyancy is examined with regard to solution accuracy and computational efficiency. Then, the system is used to track particles in circulations in the Jamaica Bay, demonstrating that large-scale patterns of trajectories of fluid particles are sensitive to small-scales flows from which they are released. Finally, a simulation is presented to illustrate the SIFOM-FVCOM system's capability, which is beyond the reach of other existing models, to directly and simultaneously model large-scale storm surges as well as small-scale flow structures around bridge piers within the Hudson River during the Hurricane Sandy.     

Planning Groundwater Development in Coastal Deltas with Paleo Channels

In this study, a management model is presented for planning groundwater development in costal deltas with paleo channels. It is demonstrated that paleo channels are the best locations for locating the wells for large-scale pumping. Groundwater flow in these aquifers is simulated using a three-dimensional (3-D) density-dependent flow and transport model SEAWAT, which is suitable for a coastal and deltaic environment. A simulation-optimization model is used to determine the optimal locations and pumpages for groundwater development for a group of production wells, while limiting the salinity below desired levels. The mixed integer problem is solved using the Simulated Annealing algorithm and the SEAWAT simulation model. A trained Artificial Neural Network (ANN) is used as the virtual SEAWAT model to perform the simulations, in order to reduce the computational burden for application of the model on desktop computers. The applicability of the model is demonstrated on a hypothetical, but near-real, delta system.     

Method of coupling 1-D unsaturated flow with 3-D saturated flow on large scale

A coupled unsaturated-saturated water flow numerical model was developed. The water flow in the unsaturated zone is considered the one-dimensional vertical flow, which changes in the horizontal direction according to the groundwater table and the atmospheric boundary conditions. The groundwater flow is treated as the three-dimensional water flow. The recharge flux to groundwater from soil water is considered the bottom flux for the numerical simulation in the unsaturated zone, and the upper flux for the groundwater simulation. It connects and unites the two separated water flow systems. The soil water equation is solved based on the assumed groundwater table and the subsequent predicted recharge flux. Then, the groundwater equation is solved with the predicted recharge flux as the upper boundary condition. Iteration continues until the discrepancy between the assumed and calculated groundwater nodal heads have a certain accuracy. Illustrative examples with different water flow scenarios regarding the Dirichlet boundary condition, the Neumann boundary condition, the atmospheric boundary condition, and the source or sink term were calculated by the coupled model. The results are compared with those of other models, including Hydrus-1D, SWMS-2D, and FEFLOW, which demonstrate that the coupled model is effective and accurate and can significantly reduce the computational time for the large number of nodes in saturated-unsaturated water flow simulation.     

A PARALLEL NUMERICAL MODEL OF SOLVING N-S EQUATIONS BY USING SEQUENTIAL REGULARIZATION METHOD

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅＮａｖｉｅｒ Ｓｔｏｋｅｓ (Ｎ Ｓ)ｅｑｕａｔｉｏｎｓｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙ ,ｓｕｃｈａｓｓｈｉｐ ｂｕｉｌｄｉｎｇｉｎ ｄｕｓｔｒｙ ,ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｉｎｄｕｓｔｒｙ .Ｆｒｏｍｍ[1] ｓｏｌｖｅｄｔｈｅＮ ＳｅｑｕａｔｉｏｎｓｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＤｕｒｆｏｒｔ Ｆｒａｎｋｅｌｄｉｆｆｅｒ ｅｎｃｅｓｃｈｅｍｅ .Ｈａｒｌｏｗ[2 1] ｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅＭａｒｋｅｒａｎｄＣｅｌｌｍｅｔｈｏｄ (ｏｒＭＡＣ)ｆｏｒｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅＮ …     

分布式地表水-地下水耦合数值模型研究进展

系统梳理地表、地下各水文过程中常见的控制方程以及数值求解方法,指出单一地下水模型和单一地表水模型在解决耦合问题中的短板。回顾近年来的相关研究,归纳出11种常见的耦合模型。从模型原理和适用方向2个方面对已有研究概括总结,将耦合方法划分为松散耦合型、半松散耦合型和紧密耦合型,分析耦合模型在变化环境下的地下水-地表水转化关系、河道生态流量以及地表水-地下水联合调度方面的应用。未来可以重点关注耦合模型在复杂地貌、多样化参数、模型识别验证方法、运算效率以及多学科交叉等方面的研究。     

湖北潜江兴隆水电站机型初选

兴隆水电站从兴隆水利枢纽库区取水,利用库区与下游灌溉渠道的水位差发电,拟装机2 500 kW,结合现今低水头小型电站机型选择及运行情况,对兴隆水电站机型进行了初选。采用大小机组组合方式,单机发电引用流量尽量与灌区灌溉流量匹配。     

地下水非平稳随机模型及空间变异性与非均匀性相互关系研究的展望

本文在对地下水空间变异性现场的调查研究、大尺度示踪试验和数值模拟研究的结果进行比较分析的基础上，指出平稳随机的假定不能真实反映空间小尺度变异性与大尺度非平稳性间的相互作用，而现有的随机方法需要分辨小尺度的动力特性，因此在实际应用中受到极大限制。本文还从CPU、内存需求和方程求解难易程度等角度出发，在客观评述现有地下水随机模型基础上，对非平稳谱方法在研究变异性与非平稳性相互作用方面的应用前景作了初步展望，认为该方法将使得对实际现场尺度下的流动和输运过程的直接模拟成为可能。     

多介质复杂区域四边形网格自动剖分算法及应用

提出一种四边形网格自动剖分的改进行波算法。无需设置背景网格,将多介质复杂区域分成多个封闭子域,由AutoCAD模型自动提取各封闭子域边界的点线信息,利用网格密度参数和封闭域点线的拓扑关系控制内部节点的生成,采用总体密度和临近子域的相对大小控制网格疏密,通过网格质量评价体系和多重优化措施保证网格质量。先将计算域剖分为三角形网格, 优化后通过合并、分解生成四边形单元,再次对四边形单元进行优化处理即可获得优良的四边形网格。某铁路路堤工程断面和瀑布沟电站厂房2#机组断面计算域的网格剖分实例验证了该方法的可行性和可靠性。     

基于降雨空间变异的潜水运动随机模拟方法Ⅰ——非条件模拟

将降雨视为随机场，考虑降雨入渗补给量与地下水埋深的关系，采用二维稳定-非稳定潜水运动的KLPC模型，分析了降雨的空间变异性对水头均值、方差和协方差的影响，利用变异系数描述了水头、流速和水动力弥散系数的变异程度。结果表明，KLPC算法的随机模型具有优越的计算效率；水头方差随降雨场方差和相关长度的增大而增大；在降雨空间变异的条件下，水头随机场呈现出明显的非平稳特性且具有各向异性结构；在非稳定流中，水头协方差表现出“扩散”和“平移”的特性；水头的变异程度较小，在随机模拟中可以不考虑降雨空间变异对地下水流动的影响；但水头的变异导致了流速和水动力弥散系数强烈的变异性，在溶质运移的随机分析中需要予以充分重视。