直接计算压力场的Lattice Boltzmann模型

简要介绍了Lattice Boltzmann(LB)方法的基本原理和常用的二维LB模型,指出其压力场直接计算的优点,并给出一种改进的使压力计算更方便的LB模型,对恒定和非恒定圆柱绕流的压力场进行模拟,与文献中已有结果作了比较和分析,表明计算压力的LB方法具有正确、简单等优越性.     

城市暴雨内涝数学模型的研究与应用

以城市地表与明渠、河道水流运动为主要模拟对象,研制了模拟城市暴雨内涝积水的数学模型。模型以平面二维非恒定流的基本方程和无结构不规则网格划分技术为骨架,同时,针对小于离散网格尺度的河道或明渠,应用了一维非恒定流方程的算法。采用分类简化处理的方法,将通道分为河道型、路面型、特殊通道型(城市内的二级河道),根据不同类型简化动量方程,求任意网格各个通道上的单宽流量。采用一维非恒定流方程模拟地下排水管网内的水流,并给出泵站、闸门、淹没出流管道等排水系统的处理方法。根据无结构不规则网格的设计思路,按照天津、南京、南昌三市的地形地貌特征分别设计多边形的计算网格。介绍了城市面雨量的计算方法以及数学模型在天津市、南京市、南昌市的应用情况和误差分析。     

水利工程曲底明槽水面线计算分析

目前常用的水力学传统方法计算明槽水面线的方法中,尚未系统提出曲底明槽水面线的计算方法,本文根据明渠非恒定流的基本微分方程,导出计算明槽水面线的基本方程,并进行了试验验证,计算结果能很好的符合实测水面线.     

沿程渗漏河道的洪水流量演算模型

从质量守恒原理出发，推导了明渠非恒定流在考虑入渗条件下的连续方程。将水力学原理与水文学方法结合起来，研制了适应海河南系平原河道现状条件的有沿程渗漏的明渠非恒定流河道洪水流量演算模型，并对海河地系７个河段９次洪水过程进行了模型参数的率定检验，较好地解决了北方平原河道沿渗漏的洪水流量演算问题。     

明渠非恒定流流速分布及推移质运动研究进展

明渠非恒定流流速分布及非恒定流作用下推移质运动分别是水力学和泥沙运动力学研究中的重要问题之一。近几十年来,国内外许多学者在这些领域做过很多探索,取得了一定进展,也存在较多问题。在总结相关研究成果的基础上,简述了明渠非恒定流试验方法、流速分布、床面切应力、非恒定流输沙与水流运动不同步现象、产生原因、以及非恒定流推移质输沙公式等方面的成果,指出了现有研究中存在的不足,提出了需要进一步研究的关键问题:应用先进的量测仪器,研究非恒定流作用下非均匀沙运动输移规律。     

激光测速粒子对复杂流动的响应研究——Ⅰ颗粒非恒定运动数学模型及其数值方法

流体激光测速的精度与示踪粒子的跟随特性即流体中异质粒子的非恒定运动特性密切相关。首先对粒子非恒定运动方程进行了探讨,着重考虑了在高颗粒雷诺数时该方程的修正问题,简要分析了该方程的数学属性,并构造了这类方程的数值计算方法。分析表明,高颗粒雷诺数下的粒子非恒定运动方程为非线性奇异积分方程,而当颗粒雷诺数小于1时,则线性化为第二类渥尔特拉(Volterra)积分方程。以几种均匀流中球形小颗粒的非恒定运动为算例,计算结果与其解析解及有关实验数据的比较表明,数值方法具有良好的计算精度。     

明渠恒定紊流的总流控制方程与能量损失特性

为进一步深化对明渠总流控制方程的认识,探究总流能量损失的构成与分布特点,通过理论分析,在黏性流体力学理论的框架下构建了描述明渠恒定紊流总体特性的总流积分模型与总流微分模型的控制方程,其模型参数能直接通过流动统计特征量在过流断面上的分布来获取,由此实现明渠流的流场特性描述与总流描述的统一,并得到了总流能量损失的显示表达式。同时指出,总流能量损失由黏性耗散与维持紊动两部分构成,在矩形明渠恒定均匀流紊流的分类能量损失构成中,壁面上以黏性耗散部分为主,维持紊动部分的能量损失密度随着离开壁面距离的增加而快速增加,且随着雷诺数的增大,其增加速度也越快。     

明渠恒定紊流的总流控制方程与能量损失特性

为进一步深化对明渠总流控制方程的认识,探究总流能量损失的构成与分布特点,通过理论分析,在黏性流体力学理论的框架下构建了描述明渠恒定紊流总体特性的总流积分模型与总流微分模型的控制方程,其模型参数能直接通过流动统计特征量在过流断面上的分布来获取,由此实现明渠流的流场特性描述与总流描述的统一,并得到了总流能量损失的显示表达式。同时指出,总流能量损失由黏性耗散与维持紊动两部分构成,在矩形明渠恒定均匀流紊流的分类能量损失构成中,壁面上以黏性耗散部分为主,维持紊动部分的能量损失密度随着离开壁面距离的增加而快速增加,且随着雷诺数的增大,其增加速度也越快。     

非恒定流动能与加速比降对流量计算的影响分析

非恒定流动能与加速比降对流量计算的影响分析罗光兰，章应耕（湖南省水文总站）一、非恒定流基本方程分析天然河道非恒定渐变流基本微分方程可表示为：且假定非恒定流中沿程水头损失与恒定流中沿程水头损失具有相同的规律，将（１）式对流程Ｌ的偏导数合并在一在同一时刻...     

垂向二维非恒定流及悬浮物分布模型研究

采用σ坐标变换拟合复杂边界、VOF方法追踪自由水面变化和SIMPLE算法求解控制方程等建立垂向二维非恒定水流及悬浮物分布数学模型。该模型适用于变量在横向上分布基本均匀的水流流动特性及悬浮物扩散迁移过程的模拟,与刚盖假定或静水压强假定等条件下建立的垂向二维数学模型相比更符合实际情况。分别对概化水库水流结构的沿程变化、明渠均匀流及带有槽沟的明渠非均匀流及悬浮物浓度分布进行了模拟,计算结果与实测值符合良好。模型的应用可为河道或水库的洪水调度、水污染控制、取水工程优化等提供参考。     

二维明渠非恒定流的格子Boltzmann模拟

根据二维浅水波方程的特点,应用由格子Boltzmann方程展开的多尺度方程,建立了一个能模拟二维明渠非恒定流的格子Boltzmann模型。通过对一维溃坝波和二维圆形溃坝波的模拟分析,验证了该模型的有效性。以某水电站尾水渠为例,模拟分析了由机组甩负荷和增负荷引起的水位波动规律,为尾水渠的设计提供了依据。     

一维不恒定明流计算的三种高性能差分格式

本文首先讨论了从物理上对差分格式提出的四项要求,即守恒性、逆风性,正性(或保持单调性)和对间断的高分辨率.最近十多年来,在空气动力学领域中已提出许多满足这些要求的高性能格式.本文将其中广泛应用的三类格式,即通量向量分裂格式、通量差分裂格式及通量校正输运格式,移用到一维不恒定明流计算中.结合圣维南方程组的具体形式,并考虑天然河道的几何不规则性,导出了有关公式.最后通过一个溃坝算例对各种方法进行了验证,其结果十分接近,说明这些方法具有广阔的应用前景.     

渠道非恒定流水力学响应研究

输水渠道中的水位将随流量的改变而产生波动,且由一种恒定流状态过渡到另一种恒定流状态需要经过一段稳定的时间。这一水力变化过程与渠道自身的结构特性、渠道运行方式的选择和流量变化的幅度、速率有关。通过对渠道中的非恒定流进行数值模拟,对不同情况下渠道的水力学响应进行了研究。     

多沙河流的非恒定一维水沙数学模型及其应用

介绍多沙河流上非恒定一维水沙数学模型采用网格上流量与水位交错布置的方案,应用Total Variation Diminishing(TVD)格式求解基本方程,模型具有守恒性好、无虚假振荡、算法简单的优点,克服了断面急剧变化时计算容易失稳的困难。同时,由于采用了适合于多沙河流的泥沙运动基本方程及相关参数,因此,该一维模型能够适应多沙河流高浓度输沙及大幅度冲淤变化的特征,成功模拟了黄河干、支流上的洪水传播。     

Runge-Kutta间断有限元格式在一维浅水方程中的应用

针对一维浅水方程组建立了考虑源项离散的Runge-Kutta间断有限元格式,该格式具有通量与源项的和谐性,可以用于求解任意非棱柱体明渠浅水流动问题。所建立的数值模式分别应用于复杂地形下非棱柱体明渠跨临界流浅水流动算例和水跃问题,模拟结果表明,数值解与解析解以及实测值吻合良好,数值格式具有捕捉间断问题中锐利波形的能力。     

水动力学模型与集合卡尔曼滤波耦合的实时校正多变量分析方法

为减少非恒定水流计算中的不确定性,在水流随机运动系统状态空间模型基础上,应用集合卡尔曼滤波(EnKF)技术建立了非恒定水流分析的实时更新(校正)方法。该方法适用于非线性的随机微分方程,过程和观测噪声可以是非正态分布。同时,为充分利用水位、流量等误差量级相差巨大的观测中所蕴含的有效信息,导出了EnKF多变量分析格式。以明渠单峰洪水过程的合成数据为例,考察了运用建立的实时更新方法分析预报一维洪水演进的性能。重点对比了采用不同精度等级下的水位和流量观测资料进行滤波的效果。在中国现行标准规定的允许观测误差范围内,以水位观测进行一维洪水动力学模型的滤波分析可有效地控制误差、估计流量、识别水流运动系统状态。长江干流清溪场至万县江段实际洪水计算还证实:该方法通过插入即时观测,可实时更新模型状态,给出与实际更为接近的计算。     

长江中下游河湖洪水演进的数值模拟

以长江中下游(宜昌-大通)防洪系统为对象,在水文、河道及湖盆地形现状条件下,建立了一个能适应各种复杂条件的一二维非恒定流模型,来进行长江干流、河网、湖泊、分蓄洪区垸及水库的洪水演进和调度仿真.所建模型的洞庭湖部分采用无结构网格二维非恒定有限体积格式,以适应湖区复杂的边界形状和保持水量平衡.河网区部分采用一维非恒定流显隐结合的分块三级算法,以准确实现河网汊点流量的自动分配和往复流动.为了提高模拟精度和扩展模拟功能,在水流数值模拟的范围内侧重讨论了内外动边界处理、分蓄洪运用及阻力项计算等环节,提出了合理可行的数值处理方法.采用20世纪80年代至90年代共6年汛期洪水资料对所建模型进行了严格的率定和检验,高精度的模拟结果证实了模型的合理性和有效性.     

非恒定水流计算的最优控制问题及其变分求解

为综合利用各类可用的信息源(如水流运动规律,观测资料和统计信息),在反问题的框架下构建了非恒定水流计算的变分模型.针对模型预测的可能误差来源,给出了初始条件、边界条件、物理参数三类独立参量及综合控制问题的定义.在此基础上,阐述了变分法求解这类偏微分方程最优化控制问题的基本原理及模型求解步骤.同时,为便于应用参考,选取初始条件、边界条件和物理参数作为控制向量,以实际常用的水流运动微分方程为基础,导出了一、二维非恒定水流计算的通用伴随方程.并以珠江黄浦至大虎段二维潮流计算为例,展示了变分模型的应用.     

黄河下游非恒定输沙数学模型——Ⅰ模型方程与数值方法

构建起具有通用性的黄河下游一维非恒定输沙数学模型.该模型建立了新的泥沙连续性方程与河床变形方程,克服了以往数学模型计算中取饱和恢复系数小于1等缺陷,引入了符合黄河下游河道水沙特点的水流挟沙力和河床糙率计算等公式,给出了悬移质含沙量以及悬移质泥沙平均粒径沿横向分布的计算方法,以及阐明了河槽在冲淤过程中河宽变化规律的模拟技术.运用Preissmann四点差分格式离散水流方程,并与泥沙连续性方程进行非耦合求解.