基于自适应网格的二维水动力模型

为准确地模拟流域洪水传播和淹没情况,基于自适应网格技术,以有限体积法为离散格式构建数值模型.模型以二维浅水方程为控制方程,采用HLL格式近似黎曼解计算界面通量,采用WAF格式对计算的通量进行加权修正,保证时间和空间上的二阶精度,并使其满足TVD条件,减小数值振荡.底坡源项采用水深差分重构,摩阻源项采用半隐式格式,保证数...     

基于GPU加速的污染物输移高分辨率数值模型

为了高效准确地模拟水污染事件中污染物输移过程,该文引入了一套基于GPU加速的水动力及污染物输移的GAST(GPU Accelerated Surface Water Flow and Associated Transport)高分辨率数值模型,并对水污染事件中污染物的输移进行了模拟。模型采用Godunov格式的有限体积法求解二维浅水方程和污染物输移方程,利用HLLC(Harten-Lax-van Leer-Contact)近似黎曼求解器计算单元网格界面通量,应用MUSCL限坡线性重构和龙格-库塔时间积分法实现了时空二阶精度,有效地解决了输移方程中对流项产生的数值阻尼过大和剧烈的数值振荡等问题,可准确地模拟复杂地形上干湿界面变化。同时模型引入图形处理器GPU(Graphics Processing Unit)加速计算技术。算例结果表明:模型精度高且稳定性好,能有效抑制数值阻尼和数值振荡,大幅提升了计算效率;模型可用于水污染事故的预警和评估,以期为突发水污染事件的决策提供基础数据和科学支撑。     

基于MATLAB的非结构网格生成器和浅水问题的数值模拟

非结构三角网格能够很好地适应复杂及不规则边界.本文就此引入了一种操作简单、快捷且高效的非结构三角形网格生成器.有着开发快速,设计简化等优点的MATLAB已成为首选的一种技术性计算机编程语言.借助于MATLAB中的COMSOL Multiphysics软件包,该网格生成器在MATLAB环境下得以很好地实现.利用非结构网格下的有限体积法对几个经典的水动力学问题进行模拟,进一步验证了该网格生成器的高效与灵活.     

基于非结构网格的螺旋桨周围流场大涡模拟

采用基于非结构网格的有限体积法对螺旋桨的水动力性能和周围黏性流场进行了大涡模拟,在加权最小二乘法重构流动物理量梯度的基础上,分别以三阶精度的UMUSCL(Unstructured Monotonic Upstream-centered Schemes for Conversation Law)插值方法和方向导数法离散控制方程的对流项和亚格子应力项,计算得到的螺旋桨的定常水动力性能、叶片表面压力和尾流场速度与试验吻合很好.     

基于自适应网格技术的Clark-Y水翼空泡数值模拟

空化流动具有高度非定常性,界面模糊而且处于不断地形变之中。该研究基于开源的CFD平台OpenFOAM,利用interPhaseChangeDyMFoam求解器对Clark-Y水翼的空泡流进行数值模拟,并利用自适应网格技术对空化区域尤其是两相界面附近的网格进行了局部加密,考察并分析了水翼的水动力性能和空泡形态。文中将模拟结果与试验结果相比较,发现通过自适应网格加密可以有效捕捉空泡形态的变化尤其是片空泡脱落过程和云空泡溃灭过程。研究表明,针对空化区域的自适应网格加密能够在计算量一定的情况下有效提高空泡流模拟精度。     

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。     

耦合高效高精度水动力模型的多组分污染物输移及衰减反应模型

为更好地模拟水污染事件中多组分污染物输移及衰减反应过程,全面耦合了基于图形处理器(GPU)加速技术的二维水动力模型与多组分污染物输移及衰减反应模型,通过改进模型源代码并在污染物输移控制方程中嵌入衰减项与反应项,建立了一个可应用于大区域复杂地形河道洪水演进全过程及多组分污染物输移和衰减反应的高性能耦合模型,同时引入GPU技术提升计算效率。将耦合模型应用于理想地形静水和两个复杂地形河道入流与溃坝算例的水质模拟,结果表明:多组分污染物输移及衰减反应过程在理想算例中的数值解与解析解基本吻合,在入流与溃坝算例中的模拟结果符合实际物理过程,模型运行速度快且计算效率高,可高效地模拟各类突发水污染事件并进行预警和评估。     

非结构网格FVM模型及崖门水道三维模拟研究

模型采用二维三角形网格、三维四面体网格的非结构网格形式,利用有限体积法离散控制体积内积分后的控制方程.通过求解沿水深积分方程作为外模式计算水位,垂向采用坐标系简化表面和底部边界条件,求解三维浅水运动控制方程,计算流速垂向分布.将模型用于崖门水道三维潮流场的计算,利用实测资料对计算结果进行了验证,并对该潮汐河口水动力流场分布及控制因素进行了分析探讨.     

基于非结构化网格和浸入边界的流固耦合数值模拟

对浸入边界方法进行改进,使其适用于非结构网格。利用非结构化网格技术生成贴体网格,充分利用贴体网格与浸入边界的优势,提高复杂区域内流固耦合问题计算效率。流体Navier-Stokes方程空间项采用非结构化网格有限体积法离散,时间项采用欧拉隐式方法。利用浸入边界方法模拟运动固体区域,流固界面作用力通过VOS(Volume Of Solid)方法进行处理。通过振荡圆柱绕流计算结果与文献实验数据对比,验证了本文方法的合理性和正确性,利用本文方法对管路中阀门动态过程进行了数值研究。     

基于PEBI网格的离散裂缝油藏数值模拟研究

离散裂缝网络模型主要从裂缝的几何形状以及流动机理上对裂缝进行表征和描述,可以比较精确地描述裂缝特征及油藏的非均质性。该文结合油藏边界及裂缝的真实分布状态,将油藏划分为若干子区域,在每个子区域上布网格节点进行Delaunary三角剖分与Vornoni网格剖分,得到了PEBI网格。为了满足质量守恒,利用有限体积法进行了求解,对网格域和计算域之间的误差进行了修正。结合离散裂缝的数学模型及传导率计算法则,实现了高精度的离散裂缝油藏数值模拟,研究了大裂缝的分布、长短、与注采井的贯穿状况等因素对水驱油的推进方向、速度、见水时间、采出程度的影响规律。结果表明PEBI网格能准确地表征裂缝特征,再现裂缝的分布,正确地模拟裂缝影响下的水驱开发规律。     

分汊型河道水流运动特性和污染物输移规律研究进展

对分汊型河道的水流运动特性和污染物输移扩散规律的相关研究进行综述,分别从分汊型河道中分汊口、交汇口、整个分汊河道的水流特性及分汊型河道中的污染物输移特性等4个方面进行总结。介绍分汊口和交汇口处的水流从其能量损失、水位变化、水流分离等一维、二维过流特征到三维流动结构和紊动特性的研究过程;从野外现场试验、室内物理模型试验和数学模型模拟等角度出发阐述了整个分汊河道的水流特性;认为污染物在分汊河道中的输运规律研究主要集中在数值模拟上,并进行了回顾和分析;提出分汊河道水流水质输移特性研究中一些有待深入探究的问题,尤其亟待加强不同排放方式、不同污染物密度和不同分汊形态下污染物输移机制的试验研究。     

明渠交汇口水流及污染物输移数值计算

针对明渠交汇口流动特性应用深度平均H-L紊流模型和污染物传输方程建立了明渠交汇口水流流动及污染物输移模型；采用有限体积法离散格式及交错网格上的水深-速度校正算法进行了数值计算并应用实测资料对数值模型进行了验证。计算结果与实测资料吻合较好，表明所提出的模型能较好的预测交汇口水流分离区及污染混合区形状及大小。     

Numerical simulation of wind-driven circulation and pollutant transport in Taihu Lake based on a quadtree grid

In this study,a two-dimensional flow-pollutant coupled model was developed based on a quadtree grid.This model was established to allow the accurate simulation of wind-driven flow in a large-scale shallow lake with irregular natural boundaries when focusing on important smallscale localized flow features.The quadtree grid was created by domain decomposition.The governing equations were solved using the finite volume method,and the normal fluxes of mass,momentum,and pollutants across the interface between cells were computed by means of a Godunov-type Osher scheme.The model was employed to simulate wind-driven flow in a circular basin with non-uniform depth.The computed values were in agreement with analytical data.The results indicate that the quadtree grid has fine local resolution and high efficiency,and is convenient for local refinement.It is clear that the quadtree grid model is effective when applied to complex flow domains.Finally,the model was used to calculate the flow field and concentration field of Taihu Lake,demonstrating its ability to predict the flow and concentration fields in an actual water area with complex geometry.     

太湖风生流及污染物输移扩散数值模拟

建立高精度的太湖三维风生流数值模型和风生流-污染物耦合数值模型,分析了盛行风作用下的太湖风生流特征和风生流驱动下的太湖污染物输移特征。结果表明:稳定后的太湖风生流场,表层流速大于底层流速,表层流向基本上同风向一致,底层流向则与表层大致相反,具有补偿流的特征;风向能显著影响太湖风生流的形态和结构;在垂向扩散作用下,太湖污染物质量浓度沿水深方向上近似均匀分布;在定常风作用下,太湖北部的湖湾区出现多个小尺度闭合环流,不利于污染物的输移扩散,对太湖水环境会产生不利影响。     

污染物在多孔介质饱和水中运移规律的研究

以淮北市萧濉新河为研究对象,进行了河水与地下水原型水质监测,结合现场地质勘探、土工试验和室内土槽试验,获得了大量有价值资料。藉此,论述了萧濉新河污染对浅层地下水的影响程度和范围,揭示了污染物在土壤饱和水中的扩散运移规律。     

人工调控强烈地区水污染物排放总量控制与分配方法

以海河流域下游某市为例,结合排污去向和污染控制单元对水污染物排放总量控制的分配方法进行研究,提出适合于人工影响强烈地区的"行业一级优化虚拟分配,控制单元二级容量分配"的水污染物排放总量控制方案,并依据水污染源点源的排放去向特征及其管理功能,将控制范围划分为自然地表水体控制区域与非自然地表水体控制区域,对自然地表水体控制区域实施容量总量控制,而对非自然地表水体控制区域主要以目标总量控制为主,不同区域采用不同的污染物控制方法。     

FAC方法在地下水数值模拟中的应用

为了解决有限单元法和有限差分法在模拟条带状水文地质体时可能产生海量数据和耗费大量计算机时的困难,本文提出采用基于区域分解原理的快速自适应组合网格方法FAC法(Fast Adaptive Composite Grid),讨论了FAC法建立和求解地下水模型的基本原理,并将其应用于一个矿山边坡防渗墙体防渗性能的研究。算例采用三层网格建立模型并求解,准确描述出防渗帷幕墙体内部地下水运动的规律,为即将开始的防渗墙设计提供了参考依据。     

基于特大暴雨分级的水库上限起调水位分析方法

为提高水库抵御洪水能力,增加洪水调度预警时间,保证水库安全运行,提出了基于特大暴雨分级的水库上限起调水位分析方法,首先分析特定历时暴雨总量范围,在此基础上对可能发生的特大暴雨按雨量进行分级处理,对各级暴雨进行时空分配,应用水文模型模拟洪水过程,并按原有调度方法对研究水库进行调洪演算,进而确定安全运行理想暴雨量,在此基础上进一步研究超过安全运行理想暴雨量的各级特大暴雨,计算对应的上限起调水位,为水库预泄调度提供数据参考,增加防洪预警时间,以确保调洪时坝前最高水位不超过允许上限水位。该方法应用于洪渡河石垭子水库,计算确定了原有调度方法下水库安全运行理想暴雨量,并分析了超过该暴雨量的各级特大暴雨对应的安全运行上限起调水位,为石垭子水库防洪调度提供数据支撑。研究发现,部分中小水库防洪调度存在显著特点,按原有调度方式抵御特大洪水能力有限,新方法能够有效提高水库抵御特大洪水的能力。     

二维溃坝波遇障碍物的水流泥沙数值模拟

本文通过对浅水方程进行Godunov差分离散和对泥沙运动方程进行一阶迎风差分离散,建立了平面l二维溃坝水流泥沙数值模型。在算例中计算了溃坝波遇障碍物后的水流反射、绕射及泥沙冲淤,计算结果表明,溃坝波遇障碍物后会产生明显的反射和绕射,并在障碍物前形成壅水、障碍物的侧面会发生剧烈的冲刷,障碍物前后则会发生局部淤积。本模型能够较好地模拟溃坝间断水流的运动,结果符合水流泥沙运动的基本规律。     

水污染事件中特征污染物通量计算及归宿分析

吉林吉化公司双苯厂苯胺装置发生爆炸事故后,大量苯类污染物进入松花江水体,引发重大水污染事件。事故发生后,有关部门及时在松花江干流苏家屯、佳木斯断面采取了监测措施,获得了大量一手资料,为分析污染物传播规律打下良好的基础。在分析实测资料时,发现上、下断面硝基苯通量不平衡。在查阅相关资料和室内实验分析的基础上,认为硝基苯通量不平衡的主要原因为:水污染期间正处于松花江由畅流期向冰冻期转换,支流水库为稀释污染物浓度应急放水形成的洪峰与污染团交汇,产生了复杂的影响因素,导致污染团未与水流同步下移;光解和挥发损失量增加;污染物滞留冰体中等。今后的类似测量中,应同时考虑污染物滞留、冰体吸附以及水流稀释等因素。