浅水流动与污染物输运的高分辨率计算模型

将基于流向量分裂技术的两步有限体积分量方向TVD格式应用于求解浅水方程和污染物输运方程,建立了二者耦合求解的高分辨率计算模型。实际算例表明,该模型能较好地计算浅水流动和污染物输运问题,为浅水流动和水环境模拟提供了精度高、稳定性好的数值计算模型。     

一种有限体积法在浅水波模拟中的应用

采用有限体积法离散浅水波方程,并结合有限差分法计算界面通量,界面通量计算达到二阶精度,运用非结构的三角形网格以适应复杂不规则的边界,建立了一种新的离散格式。通过对典型算例的模拟计算,证明此格式模拟浅水波是合理可行的。     

单坡坡面流解析解及其数值验证

坡面流是流域产汇流中的基本问题。选取了坡面流中经典的单坡坡面流问题,利用特征线法对运动波方程求解得到其解析解,并利用一维圣维南方程组对该解析解适用范围进行初步讨论,最后利用改进的浅水模型对该解析解进行了数值验证。对于更好地了解单坡坡面流整个物理过程有一定参考意义,并提供了一套可用于新开发浅水模型验证的解析解算例。     

基于移动网格的熵稳定格式求解浅水波方程

为有效提高求解浅水波方程解在间断处的分辨率和间断捕捉能力,提出一种基于移动网格的熵稳定格式来求解浅水波方程。移动网格法包括两个独立部分:偏微分方程演化和网格重构。利用等分布原理进行网格重构。采用二阶守恒型插值公式计算新网格上的物理量;使用满足热力学第二定律的熵稳定格式求解数值通量,结合三阶强稳定龙格库塔法得到下一时刻的数值解。通过数值算例验证新方法的间断捕捉能力和高分辨率。     

基于改进控制方程的土石坝溃坝洪水演进数值模拟

基于常规二维浅水方程的改进,建立适应于不规则边界的浅水流动有限体积法,在水平项和垂直项的自由水面相对高度进行分裂后的守恒性改进控制方程。对土石坝进行二维溃坝洪水演进数值模拟,并通过对典型算例验证改进控制方程可行性。     

基于浅水波方程的充排水过程模拟研究

搭建基于浅水波方程的数值模型,采用守恒性能较好的有限体积法求解,用以模拟无压输水系统中的非恒定充排水过程。首先利用该模型求解了理想地形静止算例和理想干床溃坝算例,验证了该模型的数值精度和处理干湿边界的能力;之后利用该模型求解了小坡度输水系统中的单向排水过程和双向充水过程,最后考虑了有障碍物的系统中的充水过程,模拟结果符合实际物理过程。研究成果可为模拟南水北调等长距离输水系统中的快速充排水过程研究提供参考。     

基于二阶差分法和非结构网格的有限体积法的溃坝模拟

非结构的三角形网格适应于复杂不规则的边界,在此基础上采用有限体积法离散浅水波方程,并结合有限差分法建立了一种新的离散格式,使得界面通量计算达到二阶精度。通过对典型算例的模拟计算,此格式在溃坝计算中能很好地捕捉溃坝波的前进,具有很强的模拟间断的能力,模拟溃坝洪水波间断的形状和位置都能得到很满意结果。     

不规则波在一种复杂断面海堤上越浪的数值模拟研究

以不可压缩黏性流体的Navier-Stokes方程为控制方程,利用VOF方法追踪运动的自由表面,建立了立面二维数值波浪水槽。基于经典溃坝算例验证了数值模型的可靠性,然后采用动边界造波技术生成不规则波浪,对复杂断面海堤上的不规则波越浪进行了模拟和分析,计算结果与实验结果符合。     

水电站引水系统不同水力波动的耦合分析

以明渠、压力管道和调压室的非恒定流方程为基本方程,以恒定流计算结果为初始条件,结合渠首边界、渠管结合处边界、调压室边界和阀门边界处的连续方程和能量方程,利用特征线法建立了水锤波、调压室波、明渠波等3种水力波动的数值计算模型,并编制了相应的计算程序 。通过典型算例计算,分析了3种波的波动规律及其之间的耦合效应,计算结果符合一般规律,从而验证了所建模型及程序的正确性。     

基于2D FEVM-SWEs的局部底床变形溃坝水流模拟

为研究局部底床变形对溃坝波传播的影响,该文采用有限元法和有限体积法联合离散控制水流运动的二维浅水方程(2D FEVM-SWEs)建立了溃坝水流运动的数学模型。溃坝模型验证算例的结果与前人实体模型试验结果基本一致,利用该模型研究了局部底床变形条件下溃坝波传播的特性,结果表明该模型能够简便、快速、有效地模拟局部变形底床上的溃坝波传播过程,并且得到了不同时刻的溃坝水流水位变化以及反射波向上游的传播历程。     

解浅水船波问题的方法

本文提出以六重模速度势线化自由面条件解浅水船波问题的方法。作为算例,对Wigley船型进行了实际计算。根据计算结果,讨论了浅水对波形及兴波阻力的影响,给出了浅水影响起始傅氏数、临界傅氏数与水深关系曲线。结果表明,所给水动特性与实验结果吻合,本文方法能较好地对浅水船波问题进行数值模拟。     

浅水波的位移法求解

浅水波的速度分布与水深无关，位移也与水深无关，相当于杆件的刚性横截面假定。文中采用物质坐标，用水平位移作为基本未知量，将浅水波分析按固体力学中杆件非线性大位移问题处理。于是，分析力学的变分原理都可运用了。可采用正则变换，近似解的保辛积分等有效手段进行数值求解。以三峡升船机船厢中水波为例的计算，说明所论方法的有效性。     

Numerical simulation of shallow-water flooding using a two-dimensional finite volume model

A 2-D Finite Volume Model (FVM) is developed for shallow water flows over a complex topography with wetting and drying processes. The numerical fluxes are computed using the Harten, Lax, and van Leer (HLL) approximate Riemann solver. Second-order accuracy is achieved by employing the MUSCL reconstruction method with a slope limiter in space and an explicit two-stage Runge-Kutta method for time integration. A simple and efficient method is introduced to deal with the wetting and drying processes without any correction of the numerical flux term or the source term. In this new method, a switch of alternative schemes is used to compute the water depths at the cell interface to obtain the numerical flux. The model is verified against benchmark tests with analytical solutions and laboratory experimental data. The numerical results show that the model can simulate different types of flood waves from the ideal flood wave to cases over complex terrains. The satisfactory performance indicates an extensive application prospect of the present model in view of its simplicity and effectiveness.     

A HIGHER-ORDER NON-HYDROSTATIC MODEL FOR SIMULATING WAVE PROPAGATION OVER IRREGULAR BOTTOMS

A higher-order non-hydrostatic model is developed to simulate the wave propagation over irregular bottoms based on a vertical boundary-fitted coordinate system.In the model,an explicit projection method is adopted to solve the unsteady Euler equations.Advection terms are integrated explicitly with the MacCormack's scheme,with a second-order accuracy in both space and time.Two classical examples of surface wave propagation are used to demonstrate the capability of the model.It is found that the model with on...     

浮体在浅水中运动产生的孤立波

本文对在浅水中以跨临界速度运动的浮体产生的兴波问题作了数值计算，用作者提出的求解浮体波动问题的新方法，将浮体与流体接触的物面作为自由表面处理，使Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程用于此问题的全域直接数值求解，数值结果使我们得到了新颖的浮体运动产生的孤立波解。     

P-SV波斜入射时有阻尼成层介质自由波场的一维化时域算法

为了研究土层介质阻尼对自由波场计算的影响,在一维化时域算法基础上,采用有限差分方法,推导建立了考虑阻尼影响的水平成层弹性介质平面内自由波场求解的显式的数值逐步法公式,并采用MATLAB程序语言编制了相应的数值计算程序,进行平面内P-SV波斜入射情形下均匀弹性土层的算例分析。结果表明:阻尼对水平成层弹性介质平面内的自由波场有着重要的影响,与无阻尼均匀土层相比,P波斜入射下有阻尼均匀土层的水平和竖向位移幅值分别可减小53.1%和26.5%,SV波斜入射下水平和竖向位移幅值分别可减小48.2%和31.7%;阻尼使均匀土层自由表面的位移幅值明显减小,而中、下部节点的位移幅值减小相对较小。由此可见,土层介质阻尼对成层半空间平面内自由波场一维化计算的影响不可忽视。     

NUMERICAL STUDY OF SQUARE-STERN SHIP WAVE IN SHALLOW WATER

This paper employed shallow water equations with moving pressure to calculate water waves generated by a square-stern ship in shallow water. The moving ship is considered as moving pressure on free surface. The finite element method with moving grids is used to solve the shallow water equations based on wave equation model [3]. A non-reflection boundary condition [5]is imposed on open boundaries surrounding the ship. 3-D surface elevations, depth-averaged horizontal velocities are presented. The numerical solutions are physically reasonable. It is found that wave resistance coefficients, draftchange and pitch angle vary rapidly in neighborhood of critical flow (Fh=u/ gh= 0. 9 -1. 1). The numerical results also indicate that the wave resistance coefficients, draft change and pitch angle of square-stern ship are larger than those of sharp-stern ship with the same hull structure at the same speed.     

移动边界的有限体积KFVS方法在一维溃坝波计算中的应用

本文从Boltzmaun方程出发，采用有限体积KFVS（Kinetic flux-vector splitting）方法，对微观粒子的速度分布进行组合，给出了模拟河道洪水演进时干湿交界处移动边界的一种新方法。并成功地模拟了大坝下游为干河道的一维溃坝模型，通过和精确解的比较得出，此方法在处理河道移动边界问题上是成功和有效的。     

THE SLOP FLUX METHOD FOR NUMERICAL BALANCE IN USING ROE＇S APPROXIMATE RIEMANN SOLVER

Imbalance arises when the Roe’s method is directly applied in the shallow water simulation.The reasons are different for the continuity equation and the momentum equations.Based on the Roe’s method,a partial surface method is proposed for a perfect balance for the continuity equation.In order to generate a mathematically hyperbolic formulation,the momentum equations are split,which causes incompatibility in the calculation of the momentum equations.In this article a numerical approach named the Slop Flux Method(SFM)is proposed to balance the source terms and the flux gradient based on the finite volume method.The method is first applied to shallow water equations.The model is verified by analytical results of classical test cases with good agreement.Finally the method is applied to a steady flow simulation over a practical complicated topography and the result shows good balance and conservation.     

移动边界浅水问题的数值研究

移动边界问题是水力计算中难点之一 ,本文用拉格朗日坐标系来描述浅水方程 ,并用二阶Godunov算法求解有移动边界的浅水问题的数值解。在拉格朗日坐标系下 ,移动边界条件十分容易处理 ,数值计算结果表明 ,该方法十分有效