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垂向二维非恒定流及悬浮物分布模型研究

水科学进展 2006年第4期17卷 518-524页

作者：冯小香张小峰崔占峰武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室

采用σ坐标变换拟合复杂边界、VOF方法追踪自由水面变化和SIMPLE算法求解控制方程等建立垂向二维非恒定水流及悬浮物分布数学模型。该模型适用于变量在横向上分布基本均匀的水流流动特性及悬浮物扩散迁移过程的模拟,与刚盖假定或静水压... 详细信息

采用σ坐标变换拟合复杂边界、VOF方法追踪自由水面变化和SIMPLE算法求解控制方程等建立垂向二维非恒定水流及悬浮物分布数学模型。该模型适用于变量在横向上分布基本均匀的水流流动特性及悬浮物扩散迁移过程的模拟,与刚盖假定或静水压强假定等条件下建立的垂向二维数学模型相比更符合实际情况。分别对概化水库水流结构的沿程变化、明渠均匀流及带有槽沟的明渠非均匀流及悬浮物浓度分布进行了模拟,计算结果与实测值符合良好。模型的应用可为河道或水库的洪水调度、水污染控制、取水工程优化等提供参考。

关键词：垂向二维模型 σ坐标变换自由水面悬浮物非恒定流

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超大型结构物受波浪力作用的数值模拟

工程力学 2014年第8期31卷 108-115页

作者：康啊真祝兵邢帆韩兴西南交通大学土木工程学院四川成都610031

为了计算波浪效应下超大型结构物所受的波浪力,该文运用σ坐标变换来追踪随时间变化的自由液面,添加了浸没边界法(IBM)来处理不规则结构物表面,建立了基于大涡模拟(LES)方法的三维数值模型。为验证该数值模型的正确定,运用该模型来模拟... 详细信息

为了计算波浪效应下超大型结构物所受的波浪力,该文运用σ坐标变换来追踪随时间变化的自由液面,添加了浸没边界法(IBM)来处理不规则结构物表面,建立了基于大涡模拟(LES)方法的三维数值模型。为验证该数值模型的正确定,运用该模型来模拟规则波作用下大直径垂直圆柱的绕射问题,圆柱周围的波浪爬高数值解与解析解吻合良好。运用该三维数值模型,模拟了波浪与南京长江三桥南塔钢套箱相互作用的问题,数值计算出的结构物所受的波浪力与试验数据吻合良好,表明该数值模型能够很好地模拟工程中三维波浪与超大型结构物相互作用的问题。

关键词：超大型结构物大涡模拟 σ坐标变换浸没边界法波浪力

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河口潮流垂向二维有限元数学模型

海洋科学 2001年第9期25卷 39-44页

作者：李世森时钟刘应中上海交通大学港口与海岸工程系 200030

б坐标变换在河口潮流数学模型中得到了广泛的应用，本文探讨了它在差分离散范畴内的适用性，并认为：在变换后的规则网格上，控制方程增添了若干个非线性项，使得模型更加复杂、计算工作量增加、增大了误差的可能性。为了建立简单、... 详细信息

б坐标变换在河口潮流数学模型中得到了广泛的应用，本文探讨了它在差分离散范畴内的适用性，并认为：在变换后的规则网格上，控制方程增添了若干个非线性项，使得模型更加复杂、计算工作量增加、增大了误差的可能性。为了建立简单、快捷和有效的河口潮流垂向二维数学模型，本文应用变网格有限元方法（不引入б坐标变换，采用任意四边形等参单元）离散横向积分的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程。

关键词：变网格有限元垂向二维河口潮流数学模型 σ坐标变换

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粘性-地形修正项对潮汐数值模拟影响的研究

海洋科学进展 2011年第3期29卷 285-292页

作者：曲大鹏吕新刚于华明国家海洋局第一海洋研究所山东青岛266061 海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室山东青岛266061 中国海洋大学海洋环境学院山东青岛266100 Institute of Oceanography University of Hamburg

目前近海海洋模型大多从近海地形变化剧烈和细化浅水分层两个方面综合考虑,垂向坐标通常采用σ坐标变换,并且一般情况下均忽略了在坐标转换过程中出现的粘性-地形项。以POM海洋数值模式(Princeton OceanModel)为基础,在对渤、黄、东海M_... 详细信息

目前近海海洋模型大多从近海地形变化剧烈和细化浅水分层两个方面综合考虑,垂向坐标通常采用σ坐标变换,并且一般情况下均忽略了在坐标转换过程中出现的粘性-地形项。以POM海洋数值模式(Princeton OceanModel)为基础,在对渤、黄、东海M_2分潮潮波的模拟中,具体分析了ε_u,ε_r,ε_s粘性-地形修正项对东中国海M_2分潮波系统数值模拟的影响。研究发现,加入粘性地形修正项后,可以增加模型中的耗散作用,使黄海西部M_2分潮模拟振幅减小约1～2 cm,渤海海区M_2分潮模拟振幅减小约4～5cm,在这两个区域潮汐振幅的减小会使得模拟结果偏离于实际观测结果,而在济州岛、长江口区域的模拟潮汐振幅约减小1～3cm,则会使模拟值更加接近于实际观测结果。从模型与90个验潮站的对比结果来看,粘性-地形修正项的作用范围相对较小,其整体影响并不很明显,但在某些特殊区域中该项对模型的输出结果有较为明显的影响。

关键词：潮波 σ坐标变换粘性-地形修正项渤、黄、东海

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温州港深水航道三维潮流数值模拟

水运工程 2010年第1期 86-93页

作者：李孟国李文丹交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室天津300456

根据实测资料对温州港大小门岛港区深水航道海区的三维潮流特征进行了分析。针对工程海区岸线不规则、地形复杂、岛屿众多、存在动边界等特点,使用垂向σ坐标变换技术,建立了基于不规则三角形网格的三维潮流数学模型,提出了三角形网格... 详细信息

根据实测资料对温州港大小门岛港区深水航道海区的三维潮流特征进行了分析。针对工程海区岸线不规则、地形复杂、岛屿众多、存在动边界等特点,使用垂向σ坐标变换技术,建立了基于不规则三角形网格的三维潮流数学模型,提出了三角形网格三维潮流数学模型处理动边界的方法。使用现场资料对模型进行了验证,潮位、不同水层的流速和流向均与实测资料吻合良好。在模型验证的基础上,对温州港深水航道工程实施后的三维流场进行了模拟,对表、中、底层流速流向的变化进行了分析,对航道表层最大横流进行了计算。建立的三维模型非常适合于复杂河口海岸地区的三维潮流场模拟。

关键词：深水航道三维潮流数学模型数值模拟三角形网格 σ坐标变换

基于混合有限分析法的三维浅海湍流模型及验证

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海洋技术 2010年第1期29卷 60-64页

作者：姜国强任秀文李炜陶建华环境保护部华南环境科学研究所广东广州510655 武汉大学水利水电学院湖北武汉430072 天津大学机械工程学院天津300072

文章以具有自由表面的三维非线性Navier-Stokes方程组为基本控制方程,垂向采用σ坐标变换后得到三维浅海湍流数学模型。数值模拟求解方法采用具有自动迎风、精度高及稳定性好的混合有限分析法求解,最后,以渤海湾潮流模拟算例验证了文中... 详细信息

文章以具有自由表面的三维非线性Navier-Stokes方程组为基本控制方程,垂向采用σ坐标变换后得到三维浅海湍流数学模型。数值模拟求解方法采用具有自动迎风、精度高及稳定性好的混合有限分析法求解,最后,以渤海湾潮流模拟算例验证了文中模型及其混合有限分析解法模拟潮流的正确性和应用于工程实际问题的适用性。

关键词：三维湍流数学模型混合有限分析解法 σ坐标变换

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弯道冰塞堆积三维数值模拟研究

弯道冰塞堆积三维数值模拟研究

作者：陈胖胖合肥工业大学

学位级别：硕士

冰塞是引发高纬度地区河流凌汛灾害的重要因素,因此研究河冰运动内在机理,对避免凌汛灾害的发生具有一定的意义。随着计算机技术日新月异的发展,国内外学者在研究河流冰塞现象时,越来越多的采用了数学模型的方法。数学模型以其方便高效... 详细信息

冰塞是引发高纬度地区河流凌汛灾害的重要因素,因此研究河冰运动内在机理,对避免凌汛灾害的发生具有一定的意义。随着计算机技术日新月异的发展,国内外学者在研究河流冰塞现象时,越来越多的采用了数学模型的方法。数学模型以其方便高效,费用低廉的优势,已经成为研究河冰运动规律的一种重要手段。本文以研究冰塞厚度及其分布为目的,针对流动区域为弯曲河道这一不规则的特点,采用贴体坐标转换技术生成曲线网格。基于平面贴体坐标变换、竖向采用σ坐标变换,尝试建立了三维河冰数学模型。运用有限体积法对k-ε紊流模型控制方程进行离散,采用非交错网格布置,为了避免压力场的波动,由动量插值导出控制体交界面流速公式,运用压力校正法耦合求解水深流速变量。鉴于水内冰输运堆积和泥沙运动的相似性,借鉴了相关泥沙输运理论,同时考虑悬冰花输运和盖移质输冰两方面的影响,对冰塞堆积进行数值模拟。在算例中,采用此模型模拟求解了实验室U型水槽内的冰塞堆积结果,计算结果与实测资料吻合较好,表明三维模拟具有一定的实效性,为模拟天然河流的冰塞现象积累了宝贵的经验。

关键词： k-ε紊流模型 σ坐标变换有限体积法动量插值冰塞堆积

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水质数学模型数值模拟及预测研究

水质数学模型数值模拟及预测研究

作者：马晓伟西安理工大学

学位级别：硕士

水库的兴建,对水资源的合理开发利用及当地的经济和社会发展起到很大的推动作用;而水库水温预测又是水电工程环境影响评价所需要的重要内容之一,对于水资源开发利用的可持续发展具有重大意义。由于实际工程中湖泊、水库、河流、河口区... 详细信息

水库的兴建,对水资源的合理开发利用及当地的经济和社会发展起到很大的推动作用;而水库水温预测又是水电工程环境影响评价所需要的重要内容之一,对于水资源开发利用的可持续发展具有重大意义。由于实际工程中湖泊、水库、河流、河口区域边界几何形状的不规则,以及水温模型的复杂性,使得理论分析解难以做出,只能求助于数值解。数值模拟具有成本低、速度快、资料完备、具有改变各种参数、模拟真实条件及理想条件的能力。文中从实际问题出发研究水库水温分布,由于所研究的水库还未建成,因此,首先根据水库当地的气象水文资料,利用东勘院张大发和朱伯芳方法的水温经验公式法大至估算出库区的水温分布状况,并以此作为该库区水温数值模拟预测的基础,然后分别利用交替隐式方向法与伸缩坐标变换相结合、有限元方法与模型变量变换相结合的方式求解水温控制模型,经比对分析,选择合适的方法应用于坪上水库的水温预测研究中。另外,在进行水电工程环境影响评价时,河流水质问题往往作为一个比较重要的内容开展研究,因此进行水库水质分析和预测,是水库环境评价、规划、治理和管理的基础,预测成果将有非常重要的意义。文中针对污水排放特征,从实际问题出发建立了水库上游河流一维含有污染源的水质数学模型,并将此模型归结到水环境参数反演的范畴。根据几个主要断面处的实测值,利用正则化迭代法求解控制方程的参数,将计算所得研究水域处的污染物浓度与实测值做以比较,同时将其应用于水库上游河流的水质预测研究中。

关键词：交替方向隐式法(ADI) 有限元法 σ坐标变换水库水温参数反演

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泥沙及温盐数学模型在北部湾海域的应用

泥沙及温盐数学模型在北部湾海域的应用

作者：田琦天津大学

学位级别：硕士

海岸河口地区是海陆交互地区,水动力环境极其复杂,泥沙运动活跃。人类对沿海地区的改造活动(河口整治、近海采油等)及城乡发展引起水质污染日益严重,环境恶化加剧和航道淤积等问题,急需我们对泥沙输运、污染扩散和盐水入侵等问题进行研... 详细信息

海岸河口地区是海陆交互地区,水动力环境极其复杂,泥沙运动活跃。人类对沿海地区的改造活动(河口整治、近海采油等)及城乡发展引起水质污染日益严重,环境恶化加剧和航道淤积等问题,急需我们对泥沙输运、污染扩散和盐水入侵等问题进行研究,也表明研究该地区水动力作用规律的重要性。本文叙述了水流泥沙三维数学模型以及温盐二维数学模型的一般理论,水流方程以Navier-stokes方程为基础,经σ坐标变换导出模式方程,然后在该坐标系下将三维流场进行垂直分层,并在每一层内积分模式方程,在数值求解方面采用分步、差分近似和Galerkin集中质量有限元法相结合的方法进行求解。在实际应用方面,对越南电厂取排水口附近区域进行了三维模拟计算。潮流及含沙量验证采用工程区内3个实测点进行同步实测潮位、流向、流速及含沙量的验证。验证成果表明计算值和实测值吻合很好。综上所述,水流模型的建立是可靠的,其计算方法可应用于实际工程项目中。

关键词：数学模型有限元温盐 σ坐标变换