浅水方程数值计算方法的研究

求解以水位为变量的连续方程,并根据Navier-Stokes方程压力修正算法的基本思想,建立了浅水方程的水位修正算法,放宽了对离散时间步长的限制.通过对离散方程系数矩阵的重新构造,建立了高分辨率有限元格式,该格式既具有较高的离散精度又避免了数值解的伪振荡.对动量方程的阻力项做负坡线性化处理,提高了露滩计算的稳定性.数值模拟结果与解析解吻合良好,表明所建立的数值计算方法是正确的和可靠的.     

考虑河岸变形的三维水沙数值模拟研究

将粘性河岸崩塌模拟力学方法与水沙模型相结合,构建了考虑河岸变形的三维数值模型。基于非正交网格,采用局部网格可动技术处理由河岸崩塌引起的河道摆动过程。模型采用有限体积法对方程进行离散,采用与动量插值技术相结合的SIMPLEC算法进行模型求解。通过弯道发展过程的计算表明,模型能够有效地模拟出河道的复杂演变过程。     

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。     

淹没丁坝群二维水流数值模拟新方法

为模拟淹没丁坝群平面二维水流运动,提出了淹没丁坝群二维水流数值模拟新方法并建立了数学模型。新方法的主要实施方案:① 将丁坝视为无厚度坝,用网格线概化丁坝;② 采用新的网格节点布置形式,即水深、流速节点布置于网格界面上,水位节点布置于网格中心,有别于一般交错网格节点布置。模型采用基于结构网格下的有限体积法对方程组进行离散,同时将淹没丁坝坝顶水深代入离散方程中进行求解。采用已有的水槽试验资料,进行了初步验证,模拟了长江下游东流水道已建丁坝群工程实施后河道的流场和水位场,结果表明计算和实测符合较好。     

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。     

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.     

径向点插值法在波浪传播数值模拟中的应用

针对波浪数值模拟中基于矩形网格的数值方法在深水到浅水的网格间距选择与复杂边界处理上的缺陷,以及基于正交曲线网格和无结构网格的数值方法前处理工作复杂的问题,引入最近在计算力学中发展起来的无网格法——径向点插值法,对经典的双曲型缓坡方程进行空间离散,并在时间上采用四阶Adams-Bashforth-Moulton格式求解建立近岸波浪传播数学模型,通过椭圆形浅滩地形和环形河道的波浪传播计算验证,表明该无网格方法可较为有效地模拟近岸波浪的传播变形,且在处理复杂边界时具有较高的精度.     

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。     

溃坝水流数值计算的非结构有限体积模型

针对溃坝洪水数值计算面临不规则边界和复杂地形等问题,建立了三角形网格下求解二维浅水方程的高精度Godunov型有限体积模型.空间上,引入变量重构和限制器技术,采用HLLC近似Riemann算子计算数值通量;时间上,采用Hancock预测-校正法.将底高程定义于单元顶点,结合单元水位～体积关系,提高了干湿界面处理能力.采...     

加速型改进迭代法在非饱和土渗流中的应用研究

Richards方程常用于非饱和土渗流问题,并且应用广泛。在数值求解中,对Richards方程线性化,进而采用有限差分法进行数值离散以及迭代计算。其中传统的迭代法比如Jacobi迭代、Gauss-Seidel迭代法（GS）和连续超松驰迭代法（successive over-relaxation method,简称SOR）迭代收敛率较慢,尤其在离散空间步长较小以及离散时间步长较大时。因此,采用整体校正法以及多步预处理法对传统迭代法进行改进,提出一种基于整体校正法的多步预处理Gauss-Seidel迭代法（improved Gauss-Seidel iterative method with multistep preconditioner based on the integral correction method,简称ICMP(m)-GS）求解Richards方程导出的线性方程组。通过非饱和渗流算例,并与传统迭代法和解析解对比,对改进算法的收敛率和加速效果进行了验证。结果表明,提出的ICMP(m)-GS可以很大程度地改善线性方程组的病态性,相较于常规方法GS,SOR以及单一改进方法,ICMP(m)-GS具有更快的收敛率,更高的计算效率和计算精度。该方法可以为非饱和土渗流的数值模拟提供一定参考。     

复杂电性结构大地电磁二维响应特征

为了改进计算区域离散化问题,本文利用自适应非结构化网格有限单元法求解二维地电结构下大地电磁场满足的加权余量表达式。在有限元求解电磁场的过程中,网格剖分越精细、计算精度越高,计算量也会越大。此外,结构化网格难以适应任意地形以及复杂地质构造。而自适应非结构化网格在电性变化剧烈的区域会自动加密,在电性缓变的区域则生成粗疏的网格,从而优化网格质量与数量。因此,文中引入COMSOL Multiphysics软件,以实现若干地电模型的构建及非结构化自由四边形单元网格化。将网格数据信息导入本文算法,计算大地电磁场响应,并与解析解及数值解对比。结果表明,基于非结构化网格的正演模拟精度高、适应性强,为计算区域网格化提供了新的方法。     

Error Estimates for a Time Discretization Method for the Richards' Equation

We present a numerical analysis of a time discretization method applied to Richards' equation. Written in its saturation-based form, this nonlinear parabolic equation models water flow into unsaturated porous media. Depending on the soil parameters, the diffusion coefficient may vanish or explode, leading to degeneracy in the original parabolic equation. The numerical approach is based on an implicit Euler time discretization scheme and includes a regularization step, combined with the Kirchhoff transform. Convergence is shown by obtaining error estimates in terms of the time step and of the regularization parameter.     

感潮河道区间入流反分析

区间入流是影响水动力模型精度的重要因素,实际的区间径流情况复杂难以量化。从反问题的角度出发,由基本方程导出区间入流校正量的解析表达式,应用数值离散方法,得到节点水位与区间入流的响应函数,根据实测的潮位资料建立区间入流的迭代求解方法。数值实验验证了方法的可行性,反问题的计算值与真值非常接近,模拟的确定性系数达到0.996。该方法应用于长江下游大通至镇江河段的水动力模型实例计算,得出了概化的区间入流过程,提高了模拟精度,验证了方法的有效性。     

Sequential implicit vertex approximate gradient discretization of incompressible two-phase Darcy flows with discontinuous capillary pressure

This work deals with sequential implicit schemes for incompressible and immiscible two-phase Darcy flows which are commonly used and well understood in the case of spatially homogeneous capillary pressure functions. To our knowledge, the stability of this type of splitting schemes solving sequentially a pressure equation followed by the saturation equation has not been investigated so far in the case of discontinuous capillary pressure curves at different rock type interfaces. It will be shown here to raise severe stability issues for which stabilization strategies are investigated in this work. To fix ideas, the spatial discretization is based on the Vertex Approximate Gradient (VAG) scheme accounting for unstructured polyhedral meshes combined with an Hybrid Upwinding (HU) of the transport term and an upwind positive approximation of the capillary and gravity fluxes. The sequential implicit schemes are built from the total velocity formulation of the two-phase flow model and only differ in the way the conservative VAG total velocity fluxes are approximated. The stability, accuracy and computational cost of the sequential implicit schemes studied in this work are tested on oil migration test cases in 1D, 2D and 3D basins with a large range of capillary pressure parameters for the drain and barrier rock types. It will be shown that usual splitting strategies fail to capture the right solutions for highly contrasted rock types and that it can be fixed by maintaining locally the pressure saturation coupling at different rock type interfaces in the definition of the conservative total velocity fluxes. The numerical investigation of the sequential schemes is also extended to the widely used finite volume Two-Point Flux Approximation spatial discretization.

     

饱和砂土局部变形带模拟的有限元数值实现

基于有限变形理论,推导了Newton-Raphson 迭代算法在k+1步增量表达的矩阵形式,实现了饱和砂土变形局部化的有限元数值计算,得到了饱和砂土发生局部化变形的准则。基于Galerkin 方法,得到了位移场和应力场的空间离散化矩阵方程;由土体局部变形带的连续性条件,引入第1切线算子,推导出了砂土等颗粒状媒介发生局部化变形的必要条件。基于此核心算法,编制了有限元计算程序,模拟了饱和砂土在不排水条件下平面压缩过程中剪切带的形成与发展;通过比较分析,研究了有限元网格粗细对于土体局部变形带的影响,结果表明,网格粗细的病态依赖只是微小的,它只与变形条带的宽度有关,对于土体所表现出来的其他力学特性没有影响。     

A finite volume / discontinuous Galerkin method for the advective Cahn–Hilliard equation with degenerate mobility on porous domains stemming from micro-CT imaging

A numerical method is formulated for the solution of the advective Cahn–Hilliard (CH) equation with constant and degenerate mobility in three-dimensional porous media with non-vanishing velocity on the exterior boundary. The CH equation describes phase separation of an immiscible binary mixture at constant temperature in the presence of a conservation constraint and dissipation of free energy. Porous media / pore-scale problems specifically entail images of rocks in which the solid matrix and pore spaces are fully resolved. The interior penalty discontinuous Galerkin method is used for the spatial discretization of the CH equation in mixed form, while a semi-implicit convex–concave splitting is utilized for temporal discretization. The spatial approximation order is arbitrary, while it reduces to a finite volume scheme for the choice of element-wise constants. The resulting nonlinear systems of equations are reduced using the Schur complement and solved via inexact Newton’s method. The numerical scheme is first validated using numerical convergence tests and then applied to a number of fundamental problems for validation and numerical experimentation purposes including the case of degenerate mobility. First-order physical applicability and robustness of the numerical method are shown in a breakthrough scenario on a voxel set obtained from a micro-CT scan of a real sandstone rock sample.     

Numerical approximation of water–air two-phase flow by the mixed finite element method

A new model for two-phase flow of water and air in soil is presented. This leads to a system of two mass balance equations and two equations representing conservation of momentum of fluid and gas, respectively. This paper is concerned with the verification of this model for the special case of a rigid soil skeleton by computational experiments. Its numerical treatment is based on the Raviart–Thomas mixed finite element method combined with an implicit Euler time discretization. The feasibility of the method is illustrated for some test examples of one- and two-dimensional two-phase flow problems.     

泥石流堆积过程数值模拟及防灾效益评估方法

根据动量守恒和质量守恒原理 ,研究建立了泥石流堆积过程的数学模型 ,运用有限差分法求解数学模型 ,用以模拟泥石流堆积的动态过程。在此基础上 ,结合云南省东川市深沟泥石流堆积区的实际情况 ,对泥石流灾害的危险范围和程度进行了分析评价 ;结合各类受灾体经济损失评价 ,对比防灾工程造价 ,进行了减灾效益分析评价。