无结构网格上平面二维水沙模拟的有限体积法

基于无结构网格有限体积法的算法框架,通过引入跨单元界面法向水沙数值通量的逆风分解,将悬沙与床沙交换以及分组挟沙力计算模式自然地嵌入二维水沙运动方程组的数值格式中,形成高精度、守恒性好的二维水沙有限体积算法。最后,利用该算法对谭江樟州河段的水沙输运和河床变形进行了数值模拟。结果表明,该算法能够较好地模拟复杂条件下河道水沙输运的往复特征和河床变形的动态过程,其精度满足河道工程后效分析的要求。     

无结构网格上二维浅水流动的数值模拟

提出在无结构网格上建立有限体积高性能格式族的统一框架,通过引入跨单元界面法向数值通量的逆风分解,将一维Osher、TVD两种通量分裂格式自然地推广至二维浅水方程组。给出了各种情况下浅水方程组有限体积法边界处理的计算公式。最后,利用该格式对穹包溢流、陆地动边界和河口潮流三个问题进行计算。结果表明,这类守恒格式具有高精度、无振荡性以及处理复杂流态过渡、自动捕俘间断和模拟陆地动边界的功能。     

二维输运方程高精度数值模拟

采用剖开算子法,把二维输运问题剖分为两个子初值问题(对流分步、扩散分步)。在任意三角形网格中,分别对不同性质的算子采用各自适合的算法,即采用特征线法求解对流分步,采用半隐式有限元法求解扩散分步。重点探讨了对流插值问题,给出了一种完全对称三次插值模式,有效地减少了数值阻尼。为了克服高阶插值数值震荡问题,计算中保证了函数及其一阶偏导数连续。算例表明,数值方法模拟结果与精确解吻合较好。该算法在求解输运方程(包括纯对流输运方程)时,既能有效减少数值阻尼,也能保证计算中不出现数值震荡。     

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。     

求解热质输运-反应体系动力学模型的指数拟合有限体积法及模拟软件

热质输运-反应体系对于热液成矿、污染物迁移等均十分重要．该体系包括热质输运、流体渗流、地球化学平衡计算、多组分化学反应－输运过程耦会等动力学过程．介绍了求解热质输运－反应动力学方程的指数拟合有限体积方法,并编制了相应的计算机软件．     

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。     

二维浅水流动的一种普适的高性能格式——有限体积Osher格式

天然水体具有形状复杂的计算区域和水下地形。本文采用无结构的网格以适合这一情况,并能方便地根据工程应用的要求局部地和适应性地加密网格。相应地,对二维水流计算问题采用了有限体积法的数学表示。跨单元边界的法向数值通量通过用Osher格式求解黎曼问题得到。文中给出了适合于二维浅水方程组的有关单元界面和各种物理边界的法向数值通量公式。分析了这一格式所具有的优点,包括:普适性、守恒性、逆风性、单调保持性、高效性、对间断的高分辨率、边界处理和内部格式相容,以及不引入数值边界条件等。最后,通过长江口南支水流计算的实例,阐明其良好性能。     

基于结构网格的溃坝水流数值模拟

针对溃坝水流数值模拟面临的复杂地形和不规则边界等问题,基于结构网格建立了适应复杂地形和不规则边界的溃坝水流数值模拟有限体积模型（HydroM2D）。模型基于具有守恒特性的二维浅水方程,利用HLLC格式的近似Riemann解计算网格界面通量,利用MUSCL-Hancock法不断向前积分,使模型在时空上具有二阶精度;对源项进行离散处理确保模型的稳定性;模型引入有效干湿边界和不规则地形边界处理方法,准确模拟了干湿单元的动态交替和复杂边界上的水流特性。最后分别利用水槽试验、物理模型和实际算例对模型进行验证。结果表明,该模型对不同情景下的溃坝洪水模拟结果和实测资料以及现有模型模拟结果具有较高的一致性,模拟精度较高,稳定性较好,具有推广应用价值。     

基于不规则三角形网格和有限体积法的物理性流域水文模型

传统的栅格离散方式不能很好反映流域水文过程的边界特征,且难以实现流域水文过程的多尺度模拟.采用有限体积法构建了基于不规则三角形网格的物理性水文模型,将物理性描述的偏微分方程组在控制体积内积分得到空间半离散的常微分方程组,保证数值求解中的水量平衡,并可与概念性描述部分水文过程(如截留、填洼等)的常微分方程组更好地耦合;建立了数值求解方案,采用Triangle对计算区域进行离散,并在沁河上游流域进行了验证,结果表明模型具有较高的模拟精度和良好的应用前景.     

AUSM格式在二维浅水方程求解中的应用

引入空气动力学中发展起来的AUSM格式,在三角形网格上采用有限体积法,对二维浅水控制方程进行数值求解;引入过程中,对浅水问题中的源项及露滩问题等采用了相应的特殊处理。通过对二维计算常用的溃坝算例及扎龙湿地实际算例的计算结果分析可知:二维浅水问题中引入该计算格式后,计算结果较好且保持了原格式的优良特性,同时也验证了该格式在二维浅水方程中应用的可行性及可靠性。     

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...     

基于二维浅水方程的滑坡体兴波数值模型

基于有限体积方法和结构化网格,建立了海底滑坡引起的波浪传播数值模型。模型控制方程为考虑了海床随时间变化的二维浅水方程。采用中心迎风格式计算控制体界面数值通量,采用线性重构技术、局部海床高程处理技术和全隐式离散底摩阻项,保证了格式的和谐性、守恒性和水深非负性,有效处理了海岸动边界问题。时间积分采用具有强稳定性质的二阶龙格-库塔方法（ssp RK）。针对滑坡体兴波经典算例开展数值模拟,将计算结果与解析解、实验结果及其他模型计算结果进行比较和分析。结果表明,对于所考虑的计算工况,模型能较合理地模拟滑坡兴波的产生、传播和爬高过程。     

基于非结构化有限元的三维井地电阻率法约束反演

电磁探测反演是典型的不适定问题,易造成反演结果的多解性,不适定性是反演自身固有的特征,没有求解的附加信息这一本质困难是很难克服的,解决该问题的有效方法是研究约束反演。本文采用目前较为主流的高斯牛顿—共轭梯度法(GN-CG),在反演目标函数中直接施加约束条件,将介质电阻率的取值范围作为先验信息和约束条件以外点罚函数法的方式引入到反演目标函数中,与常规三维电阻率反演目标函数相比,增加了不等式约束项的目标函数,理论上可以压制反演的多解性。通过多种理论模型的测试结果表明,本文基于不等式约束的三维井地电阻率反演算法有效地改善了反演结果的精度,以惩罚函数法施加不等式约束条件的方式是现实可行及有效的。     

基于混合网格有限元的直流电阻率法三维正演研究

直流电阻率法因效率高、成本低等特点广泛应用于有色金属、煤田等矿产资源勘探和地质调查行业。但在井–地、地–井电阻率法勘探过程中,钻孔因素(井液电阻率和钻孔孔径)对不同探测模式下视电阻率响应的影响尚未明确,是否影响视电阻率资料的解释是值得探讨的一个问题。因此,提出采用混合网格有限元法实现直流电阻率三维正演。给出异常电位法满足的边值问题及有限元变分问题,应用三棱柱和四面体混合网格实现对计算区域的快速离散,并建立2种网格的线性插值基函数和单元系数矩阵;采用SSOR–PCG迭代算法求解异常电位满足的大型线性方程组,得到各观测点的响应。在保证计算精度的前提下,应用混合网格有效地离散钻孔地电模型,探讨钻孔因素对井–地、地–井观测方式视电阻率数据的影响特征。对于井–地观测方式:钻孔附近视电阻率受钻孔因素影响最大,严重影响视电阻率资料的合理解释,但随着测点收发距的增加,视电阻率响应逐渐趋于围岩电阻率;而且随着发射源深度的增加,钻孔对地表视电阻率响应的影响也逐渐减小。对于地–井观测方式:钻孔因素对浅部数据影响较大,对深部数据影响小,相比于井液电阻率,视电阻率响应更易受钻孔孔径的影响。直流电阻率法混合网格有限元三维正演算法的提出,对实际井–地、地–井电阻率法勘探具有理论指导意义,可结合钻孔信息进行正演模拟分析,选择合适的收发距,有效压制钻孔因素对实测资料的影响。      

基于常Q模型的分数阶粘弹介质数值模拟方法

基于常Q模型的解耦分数阶拉普拉斯算子粘滞波动方程,可以分开模拟振幅衰减和相位错动。但该方程拉普拉斯算子的阶数是随空间变化的,因此数值求解存在一定困难。这里基于截断的泰勒展开,经过一系列近似,推导出拉普拉斯算子的阶数与空间无关的解耦分数阶粘滞弹性波动方程。采用中心差分计算时间导数,使用交错网格伪谱法计算空间导数。数值算例表明,新的方程在处理非均匀介质时具有精度高,计算简便的优点。     

基于数值模型的地下水污染预警方法研究

地下水是中国许多城市主要的供水水源,目前中国部分城市地下水已受到不同程度的污染,导致地下水资源供需矛盾日益突出。进行地下水污染预警是保护地下水资源的一个有效措施,当前国内外相关研究刚刚起步,有关预警理论、方法和技术框架仍未形成一套完善的体系。本文简述了地下水污染预警的研究现状及存在的不足,并以中国北方某铬渣场地为例,根据当地的水文地质条件,利用数学模型建立了地下水污染预警模型,给出了不同等级的地下水污染预警分区,研究结果可为当地地下水污染防治和地下水污染控制规划提供科学依据。