浅水方程无结构网格有限体积法研究进展

回顾了近些年国内外基于无结构网格的有限体积法模拟浅水流动的发展,着重论述了无结构网格的有限体积法的应用、高性能的法向数值通量的计算格式、物理量的重构和浅水流动静水压力项与底坡项的平衡问题.讨论了无结构网格有限体积法隐式求解、减小局部一维化误差和构造具有明确物理意义的消除虚假流动的计算方法等有待于进一步研究的方向.     

基于非结构网格的Godunov格式的二维浅水有限体积数值计算模式

利用非结构化的有限体积方法,建立了二维浅水方程高精度、高分辨率模型。以HLL类型的近似Riemann解计算界面通量,通过多维限制线性重构和三阶TVDRunge-Kutta法获得了空间和时间都具有高阶精度的格式。控制体三点坐标的斜底模型方法处理底坡源项和全隐式方法处理摩擦源项保证了格式的稳定性。通过连接丹麦和瑞典的跨海实际工程进行了潮流模拟,验证了模型的适用性和有效性。     

用线性通量样条格式计算圆柱面与机翼的连接部流动

本文基于线性通量样条格式的有限体积方法计算了圆柱面与机翼的连接部流动，这一格式与假定控制体积内总通量为常数的低阶格式相比，由于考虑了源项的存在和多维效应，更好地预报了复杂的接合部流动，计算结果揭示了连接部流动的一些基本特征。     

有限体积法在一维平底溃坝问题研究中的应用

以一维平底溃坝问题为例,讨论了有限体积法的应用。从溃坝基本方程入手,采用Roe方法计算界面数值通量,采用空间一阶、时间二阶格式（预测校正二步格式）计算溃坝问题,得到了满意的结果。     

基于CC-CV混合有限体积法的干湿边界处理技术及其在浅水问题中的应用

在具有复杂地形的浅水问题中,保证水体质量守恒性和数值格式的和谐性是目前需要解决的两大难题。文章提出了一种改进的干湿边界处理方法:通过迭代计算单元剩余水体质量的方法修正流出控制体的水体质量;利用修正水位梯度项保证数值格式的和谐性;采用改进的隐式方法求解底摩阻源项以增加数值格式稳定性。通过与其他水动力数值模型在非平底复杂地形溃坝的计算结果对比表明,文章提出的改进方法可以有效的保证计算过程中的质量守恒性和数值格式和谐性。     

数值模拟孤立波在平直海岸上的传播和爬坡

对文献[1]所建立的非线性浅水方程数值模型进行了改进,采用水位梯度法（SGM,Surface Gradient Method）处理底坡源项以提高计算效率,采用半隐格式处理水底摩擦项以提高模型的稳定性.通过解析解对模型进行验证后,利用改进后的模型,对破碎和非破碎孤立波在平直海岸上的传播、爬坡和回落过程进行了数值模拟研究.数值计算结果同实验数据、解析解以及文献中相关数值结果进行比较和分析,结果表明模型可用于计算孤立波的传播和爬高问题.     

SST湍流模型在强逆压流模拟中的应用

本文对SST两方程湍流模型提出了一些改进,并将之与Navier-Stokes方程的显式有限元格式相结合,对高雷诺数可压流进行数值模拟.流动方程和湍流方程以一种松散的关联方式求解.时间方向上,流动方程用显式多步Runge-Kutta格式推进,而湍流方程用多步点隐式格式推进以解除源项引起的时间步长限制.数值实践中我们考核了跨音速激波、大攻角等引起的强逆压流动的经典算例,并与实验结果进行了比较,结果是令人满意的.     

明渠交汇口水流浅水二维数学模型研究

针对明渠交汇口缓流流动特性,建立基于高性能有限体积数值方法、具有二阶精度的非恒定浅水二维水流数学模型。基本控制方程采用浅水二维水流方程;采用能够有效捕捉激波的高性能有限体积方法离散控制方程;采用了隐式方法处理阻力项,从而保证了模型的稳定性。采用非结构三角形网格系离散计算区域。最后,应用实测资料对两种模型进行了验证比较,结果表明该模型可模拟明渠交汇口基本流动特性,显示了对天然河流广阔的应用前景。     

浅水航道中门桥水动力特性数值计算

本文针对浅水航道中门桥的水动力特性进行数值模拟研究,采用RANS方程结合RNGκ-ε两方程湍流模型,对一门桥模型在不同水深航道中的阻力、升沉、纵倾和兴波进行数值计算,其中自由面采用VOF方法处理.数值计算时,使用有限体积法离散控制方程,对流项采用二阶迎风格式,扩散项采用中心差分格式.计算结果表明:在Fd＜0.6时,水深对门桥的水动力特性影响很小,仅对升沉有一定影响;而随着Fd增大,门桥的阻力、升沉、纵倾及兴波等水动力特性都将发生变化,且水深越浅,表现越明显.     

圆舭型快艇浅水阻力计算

分析９ 艘圆舭型快艇船模浅水阻力系列试验资料,寻找每艘船模阻力变化规律,由１０８ 条内插阻力曲线应用回归分析直接计算及依据深水阻力转换的间接计算分别计算浅水阻力曲线。可用于该类船型浅水功率估算及主尺度优化分析计算。对无浅水影响最小水深及超临界纵倾角也作了一定研究     

珠江三角洲平面二维盐水入侵数值模型研究

珠江三角洲咸水入侵是一个近年来备受关注的课题。珠江三角洲河道纵横交错,口门数目众多,水动力因素错综复杂。数学模型以其经济、省时的优势成为珠江三角洲咸水入侵预报的主要研究手段。该模型网格采用三角形与四边形结合的混合网格形式,计算区域包括珠江三角洲网河区、八大口门以及外海部分海区。采用同步水文资料对珠江三角洲的盐度场进行了模拟,验证结果显示模型计算的潮位、流速、以及盐度等与实测资料吻合较好,模型成功复演了珠江三角洲的潮流和盐度的变化过程。在模型验证良好的基础上,通过计算1999年和2005年不同地形条件的咸潮上溯情况,可知由于河道地形下切严重已导致2005年咸潮上溯程度明显加剧,给更多居民日常用水带来困扰。     

Tidal current variability in the Central Great Barrier Reef

With tidal data from the literature and the field, a two-dimensional (depth-averaged) numerical model was formulated to simulate the dominant semi-diurnal tidal hydrodynamics of the Central Great Barrier Reef continental shelf. Importantly, the individual mesh dimensions of the numerical scheme were set at approximately 2 × 2 km which was sufficient resolution to incorporate the topography of each reef within the matrix. The model provided a new detailed understanding of the influence of the reef matrix on the tidal currents of the outer shelf. In particular, the model demonstrated that the spatial variability in the tidal current's speed and direction exists down to the scale of the 2 km grid size. The model also demonstrated the significant tidally-induced residual currents that result from the interaction with the complex topography of the reef matrix. The advective effect of these tidal currents would be significant as the tidally-induced residual currents are of similar magnitude to the non-tidal currents of the region. Further, the spatial variability in the modelled and observed tidal currents suggests highly spatially variable advective processes operate within the reef waters.     

A 3D finite-element model of the Adriatic tides

A 3D finite-element numerical model is applied to the Adriatic Sea to simulate its tidal motions. This fully nonlinear model includes a free surface, very realistic topography, and an advanced turbulence closure. Comparison with available tidal elevations at coastal stations and with tidal ellipses at a few locations in the open sea demonstrates that the model simulations are highly accurate. The results are then used to determine the 3D distribution of the tidal residual currents.     

一种有限体积法三维港内粘性泥沙淤积模型研究

基于物理量守恒的有限体积法,建立了三维粘性泥沙运动及回淤数学模型。平面采用无结构三角形网格划分计算区域、拟合复杂海岸边界,垂向采用坐标变换技术,适应不平坦海底地形。以天津港港内泥沙回淤为例,模拟三维粘性泥沙的输运过程,得出了港内垂向分层潮流流场、垂向含沙量变化、淤积历程及淤积分布。结合实测地形资料对模型进行验证,为研究三维泥沙运动特性提供了一种新的方法。     

大范围波浪传播数学模型

南黄海辐射沙脊群海域范围广阔、海底地形变化剧烈。在传统缓坡方程基础上建立的波浪传播数学模型难以计算该海域的波浪场。为了解决此问题,文章在洪广文推导的缓坡方程推广形式的基础上,改进了数值计算方法,建立了大范围波浪传播数学模型。运用波数矢无旋性方程,将缓坡方程转化为波作用守恒方程和光程函数方程,从而消除了波长对计算步长的限制。运用硬盘同步记录法,把求解时所需要的内存用量转化为硬盘用量,从而可以运用高分辨率网格计算大范围海域。在南黄海辐射沙脊群的应用表明,该模型适用于大范围、复杂水下地形的波浪场计算。     

河床下切影响下珠江三角洲潮流不对称时空变化规律

潮流不对称对三角洲地区的泥沙净输运和地貌演变有着重要作用,近年来珠江三角洲的大规模采砂活动引起河床大幅下切,因此研究河床下切后珠江三角洲潮流不对称的时空变化规律具有重要意义。利用1999年和2010年珠江三角洲河口河网地形数据,建立珠江口平面二维水动力模型,模拟珠江河口河网枯季水动力过程。结合非稳态调和分析方法分解流速信号,用偏度方法量化分潮组合、余流及分潮和余流相互作用对潮流不对称的贡献程度。研究结果表明:1)珠江三角洲潮流不对称受余流影响呈现出落潮占优的特性;2)河床下切后,各分潮组合的不对称性增大,潮流不对称在下游河道有所减弱、中上游河道有所增强,且珠江三角洲中上游河道变化大于下游河道;3)分潮和余流相互作用的变化是导致该现象产生的主要原因。     

等效阻力法在感潮河段桥墩群概化中的运用研究

在经过率定和验证的长江下游感潮河段大范围二维潮流数学模型上,采用等效阻力法概化了苏通大桥桥墩群,指出运用该方法时需要注意的地方,同时给出了桩群概化的具体步骤,并分析了该方法的运用效果。研究结果表明,等效阻力法概化的桥墩群不会对大范围水动力(水位、流速及分流比)产生影响,仅桩周附近存在微小失真,可为感潮河段类似工程的桥墩群概化提供借鉴。     

Three-dimensional hydrostatic modeling of a bay coastal area

This article describes the development of a three-dimensional (3D) multilayer hydrostatic model of tidal motions in the Ariake Sea and its application. The governing equations were derived from 3D Navier-Stokes equations and were solved using the fractional step method, which combines the finite difference method in the horizontal plane and the finite element method in the vertical plane. This study introduced a 3D, time-dependent, hydrostatic, tidal current model that can compute wetting and drying in tidal flats due to tidal motion. The 3D model was first tested against analytical solutions for three standard cases in a rectangular basin in order to investigate the performance of the model. Then, the model was applied to Saigo fishery port and the Ariake Sea. For standard cases, the numerical solutions were almost identical to the analytical solutions. Finally, the model results for Saigo port and the Ariake Sea show good agreement with the field observations.     

一线模型在黄河口岸线预报中的应用

建立了一种能够模拟黄河口海洋与河流混合动力作用模式下黄河口岸线淤积、延伸、侵蚀规律的一线数学模型。采用了反映岸线侵蚀重要因素的波浪破碎模型,并引入黄河径流挟带泥沙沿岸输沙率分布计算,不但提高了波浪计算的精度,也真实反映了黄河口门附近岸线演变现象的物理机制。研究结果表明,黄河口径流挟带的大量泥沙受到水流动力轴线影响,泥沙沿岸线的淤积是黄河口门附近岸线演变的重要因素之一。验证试验表明,模型计算结果与实测值吻合很好,可以用于黄河口岸线演变的预报计算。     

长江感潮河段平面二维潮流数值模拟

基于正交曲线网格下的有限体积法,建立河口潮汐的水深平均二维模型,运用Simple算法求解河口潮汐的二维浅水方程。以长江下游江阴水道为计算实例,用"露滩冻结"动边界技术处理方法模拟江阴水道二维潮流场,较好地解决了边滩、浅滩边界随水位的变动问题。实例和验证结果表明:计算的潮位和潮流过程与实测过程吻合较好,计算的流场合理。对计算结果的前后可视化处理,采用AutoCAD的DXF数据接口生成流场和网格图,以便更好地进行直观分析。