环状河道二维浅水流动的全隐数值求解方法

基于通用河网二维水流模式,采用全隐式矩阵追赶与回代技术,提出了环状河道单元二维数值模拟的通用模型。该模型仿照一维河网的建模方法,通过建立节点水位方程组,能方便地实现全流域二维河网或者一二维河网的隐式耦合求解。通过对长江下游南京八卦洲段分汊河道的数值模拟,表明该方法精度较高,切实有效,能满足实际工程的需要。     

基于未确知信息的环状河网水质数学模型研究

以圣维南方程组、对流扩散方程以及未确知信息理论为基础,建立了环状河网一维水动力与未确知水质数学模型。采用Preissman四点隐格式法对圣维南方程组进行离散和采用显式差分对对流扩散方程进行离散,对河网水动力与水质分别进行了合理的编码,并考虑了泵闸等控制工程、降雨径流的影响,采用河网的三级解法编制河网非恒定流的计算程序求解各断面的水位Z和流量Q,实现了水动力和水质两模块之间的数据连接,且对微分形式的水质模型运用未确知数学理论进行了含有两个未确知参数的水质计算,从而不仅能获得污染物浓度区间值,还能得到相应的可信度。实例研究表明,建立的河网水动力模型和未确知信息的水质模型是可靠的,可以用于河网水质治理工程的数值模拟研究和水环境评估。     

河网海湾水动力联网数学模型

在一维显式、二维隐式水动力联网数学模型的基础上,建立了一种一维、二维全隐河网海湾水动力联网数学模型。该一维河网模型采用Preissmann四点隐式格式,用节点水位控制法进行数值计算,二维海湾模型采用改进型双向隐式(DSI)法进行数值求解。在河口一维、二维连接处,水力因子通过接口断面法传递,无需重叠一个一维河段来传递水力因子,避免了口门处二维网格需取较小尺度的问题。模型在珠江三角洲河网及横门、洪奇沥口门海域做了检验,验证结果表明,建立的河网海湾水动力联网数学模型是可行的,可以用于河网、河口治理工程的数值研究。     

河网水力数值模拟的松弛迭代法及水位的可视化显示

以Saint-Venant方程组为基础,讨论了按Preissmann加权四点隐式格式进行离散所得的非线性代数方程组的Newton-Raphson迭代解法,对河网非恒定流用松弛迭代方法进行计算,并利用GIS Map-Info实现了计算结果的可视化.     

基于非结构混合网格求解二维浅水方程的一种数值方法

复杂边界下的流场数值模拟常基于非结构化网格进行求解,建立一种在非结构混合网格上求解水深平均的二维浅水方程的模型,以便精确模拟复杂边界、提高计算效率。该模型时间项离散采用隐格式使得模型具有较好的稳定性,对流项和扩散项分别采用总变差减小(Total Variation Diminishing,TVD)格式和构造辅助点的方法来离散,同时采用水深平均的标准k-ε模型来封闭湍流模型。选用两个经典验证算例检验模型,计算结果表明,基于非结构混合网格开发的模型具有较高的精度,且收敛性能较好。     

复杂河网水动力数值模型

利用汊点水位预测-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,构建了非恒定河网水动力模型.模型既无需特殊的河道编码,又避免了建立和求解总体矩阵.与常用的分级解法模型相比,保留了其既适用于树状又适用于环状河网的优点,同时克服了分级解法需要建立和求解河网总体矩阵的缺点,显著提高了稳定性和计算效率.     

一种提高河道演算稳定性及计算效率的TVD格式的研究及应用

在洪水演算中,使用Muskingum-Cunge-Todini(MCT)方法进行差分求解时通常会出现非物理的振荡、负流或突变式增长等现象,将一个TVD(Total Variation Diminishig)限制器引入到MCT方法中,来保证其数值解的“总变差减小”,从而提高MCT方法的稳定性。将TVD格式以及一阶精度的MCT方法用到了XAJ-DCH模型中,相比于模型中原有的二阶精度的MCT方法,引入了TVD格式以及一阶精度的MCT方法之后出现不稳定的场次洪水明显减少,且能达到与二阶精度的MCT方法相似的模拟效果。另外,原有模型在1996060100号洪水需要时间步长为200 s才能保持稳定,由于引入TVD限制器和一阶精度的MCT方法以后,可以使用3 600 s作为河道演算时间步长,而场次洪水的模拟时间可以由原来的3 min左右缩短为1 min左右,模型的模拟效率得到明显提高。     

基于广义垂线坐标系的三维非结构数学模型及其在珠江口的应用

基于广义垂线坐标变换,构建了非结构网格的三维水动力数学模型。模型采用半隐式有限体积法对控制方程进行数值离散,其中半隐式法用于水位梯度和垂向紊动扩散以及垂向对流项的离散,显式控制体积分法用于水平对流项等的离散。广义垂线坐标系使得模型能够灵活地对垂向网格进行布置,平面非结构网格使得模型能够适应河口海岸复杂的岸线,并可对局部进行网格加密。模型通过具有解析解的风生流和异重流对模型进行检验,应用模型模拟了珠江口的三维潮流过程,计算结果与实测水文数据的比较表明,模型能够较好地模拟珠江河口的盐水楔和三维分层水动力过程。     

黑河上游高寒山区集水面积阈值确定方法探讨

针对我国高寒山区河流的最佳集水面积阈值确定的问题, 选取黑河上游山区为研究区, 利用SWAT(soil and water assessment tool)模型的流域离散模块(watershed delineator)基于DEM提取河网, 探讨河网总长度与集水面积阈值关系曲线法和适度指数法在高寒山区的适用性. 结果表明: 两种方法所对应的最佳集水面积阈值相差较大, 所提取的河网难以反映河流真实情况, 效果较差, 主要原因是上述方法仅考虑流域面积、地形和几何特征的影响, 缺乏对降水和其他下垫面因子的综合考虑. 相较而言, 利用蓝线河网推求最佳集水面积的适度指数法的效果较好. 在高寒山区进行河网提取时, 应综合考虑影响河网发育的各个因素, 在流域分区的基础上, 通过不同集水面积阈值实验, 获取更高精度的数字河网, 改善分布式水文模型的空间离散效果.     

基于杨赤中推估法空间插值的三维地质隐式建模

杨赤中推估法是一种对空间域复合变量通过连续的几何滤波过程来建立核函数的最小二乘推估法,建模过程简便且能基于少量已知数据点取得好的建模效果。针对地质勘查中离散、稀疏而不规则分布的地质特征点数据难以构建地质体三维模型的难点问题,提出了一种基于杨赤中推估法的三维地质空间插值与模型建立的自动化方法。该方法首先以地质特征点数据库为基础,选用负幂指数函数模型建立适合三维地质空间插值的杨赤中推估法估值数学模型;在此基础上,构建一套基于杨赤中推估法的三维地质空间插值计算和地质体隐式建模的自动化实现流程与程序;最后以实例矿化插值数据为基础,采用基于移动立方体算法的三维隐式建模方法,快速构建实例矿体三维模型。与人工交互圈定地质体边界和进行矿体推断的三维地质显式建模相比,这种方法能快速直观地分析地质特征并处理样品分析数据,方法可行且高效。     

平面二维水流-水质有限体积法及黎曼近似解模型

根据研究工程、工业废水及生活污水的水环境影响的需要,提出一个平面二维水流-水质有限体积法及黎曼近似解模型。在无结构网格上对偏微分方程进行有限体积的积分离散,把二维问题转化为一系列局部的一维问题进行求解,模型具备有限单元法及有限差分法两者的优点。由于模型采用黎曼近似解计算水量、动量及污染物输运等通量,不仅提高了数值模拟的精度,而且能模拟包括恒定、非恒定或急流、缓流等水流-水质状态。应用若干理想条件下的精确解对模型精度进行了检验,并结合汉江中下游的水质问题验证了模型的实际应用能力。模型计算结果与精确解拟合极好,与汉江中下游实测的污染分布带也相当吻合,为中线南水北调对汉江中下游水质的影响评价提供了依据。     

非规则网格下二维浅水流动的数值模拟

建立了一种在非规则结构化网格上求解平面二维浅水流动的有限体积方法。通过采用地形在离散网格内双线性变化及离散网格界面间地形连续的地形逼近方法和应用可以有效处理间断问题的Roe格式来离散浅水方程中的对流项,并通过VanLeer提出的状态插值法提高格式精度。在计算原始变量在网格内的插值梯度时,采用最小二乘方法求变量的最优梯度代替差分计算梯度,从而可采用任意形状的不规则四边形网格离散计算域。计算实例表明,该方法能够计算间断问题并能够处理各种复杂流态的过渡,具有较好适应性和计算精度,能够满足不同实际问题的计算要求。     

方腔回流区水流运动特性三维数值分析

建立了一个三维水动力学模型,对方腔回流区水流运动特性进行了模拟分析。数学模型以三维浅水环流方程为基础,在垂向空间引入σ坐标变换,采用高分辨率半隐有限元离散格式。计算结果与解析解及水槽试验数据吻合良好。应用该模型对方腔回流区的水流运动特性进行了计算分析,进一步揭示了方腔回流运动的非定常非对称不封闭特性、流动结构表现为竖轴环流与立面环流相叠加、流速沿垂线分布相对均匀等流动规律。     

Micromechanical approach to unsaturated water flow in structured geomaterials by two-scale computations

This article presents a micromechanical approach to the problem of unsaturated water flow in heterogeneous porous media in transient conditions. The numerical formulation is based on the two-scale model obtained previously by periodic homogenization. It allows for a coupled solution of the non-linear flow equations at macroscopic and microscopic scales and takes into account the macroscopic anisotropy of the medium and the local non-equilibrium of the capillary pressure. The model was applied to simulate two-dimensional water infiltration at constant flux into an initially dry medium containing inclusions of square and rectangular shapes. The numerical results showed the influence of the inclusion–matrix conductivity ratio and the local geometry on the macroscopic behavior. The influence of the conductivity ratio manifested itself by the acceleration or retardation of the onset of the macroscopic water flux at the outlet, while the local geometry (anisotropy) significantly affected the macroscopic spatial distribution of the water flux. Such type of approach can be extended to simulate coupled phenomena (for example hydro-mechanical problems) with evolving local geometry.     

扩展型Boussinesq水波方程的混合求解格式

为高效求解扩展型Boussinesq水波方程,建立了基于有限差分和有限体积方法的混合数值格式。将一维控制方程写为守恒形式,方程中通量部分采用有限体积方法求解,剩余部分采用有限差分方法求解。其中,有限体积方法采用Godunov类高分辨率格式,并结合HLL(Harten-Lax and van Leer)式黎曼问题近似解求界面数值通量,黎曼问题界面左右变量通过高精度状态插值方法(MUSCL)构筑。有限差分方法则采用具有二阶精度的中心差分公式进行。采用具有TVD(Total Variation Diminishing)性质的三阶龙格-库塔多步积分法进行时间积分。对数值模式进行了验证,数值结果同解析解或实验数据吻合良好。     

二维浅水明流的一种二阶高性能算法

为了精确求解二维浅水方程组,在由任意三角形构成的无结构网格上建立了有限体积MUSCL算法,这是文献[1]中有限体积一阶Osher格式的一类二阶推广.通过采用预测校正二步时间积分和单元内引入坡度限制,该算法在时空上均可达到二阶精度.跨单元边界的法向数值通量采用通量向量分裂公式(FVS)计算.最后,通过长江口南支潮流计算和一维瞬时溃坝模型算例来说明该格式的优良性能及在浅水流动计算中的应用.     

非结构网格上的三维浅水流动数值模型

针对当前复杂环境水流模拟的需求,建立了新型的基于特征型高分辨率数值算法的三维非结构网格浅水动力模型。模型采用有限体积法离散sigma坐标下的三维浅水方程,运用Roe黎曼近似解评估水平界面通量。模型网格拟合边界能力强,可根据需要局部加密;格式数值性能优良,具有守恒性、单调迎风性、高数值分辨率等特性。同时,应用干湿判别法处理动边界,以适应浅滩地形漫/露过程模拟的需要。封闭水池内部风生环流、干河床上溃坝过程和长江口实际潮流场的模拟从不同侧面展示了模型的特点,结果表明它能够准确地预测水流的三维流动结构,而且计算简单高效,具有良好的数值稳定性。     

通量向量分裂格式的二维水流-水质模拟

在有限体积法框架下应用通量向量分裂(FVS)格式进行平面二维水流 水质模拟。通过对偏微分方程进行有限体积的积分离散、利用通量的旋转不变性,把二维问题转化为一系列局部的一维问题进行求解,采用FVS格式计算各跨单元边界的水量、动量及污染物输运等通量。应用该格式计算了理想条件下的浓度输移,其结果与精确解拟合很好;模拟了长江江苏靖江段的水质及污染带,计算结果与水质监测值相当吻合,为长江江苏干流段水质评价提供了科学依据。     

正冻土水热迁移的移动泵模型

通过引入脉冲函数将流量边界条件转化为源（汇）项,冻结锋面处的假想泵从未冻土中抽吸水分并储存在冻结锋面附近的狭窄区域.将水分扩散方程在整体求解域上等效分解为两个方程,避免了处理移动冻融边界的难题.在一个分解方程中引入汇项以表达未冻区水分的流出,在另一个分解方程中引入相同大小的源项以表达冻土中水分的聚集.将移动泵模型相关场方程和变量输入COMSOL Multiphysics模拟软件的数学模块中,对一个封闭系统非饱和土冻结过程中水分和温度的变化过程进行了数值模拟,将模拟结果与前人试验和模拟结果进行了对比.