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溃坝水流数值模拟研究进展

水科学进展 2006年第1期17卷 129-135页

作者：史宏达刘臻中国海洋大学工程学院山东青岛266071

溃坝问题在水利工程的设计管理中具有重要地位,也是广大学者长期以来一直关注和研究的课题。回顾和总结了国内外对溃坝水流演进问题的研究进展:介绍了溃坝水流的数学模型及解析解法存在的困难,进而讨论了数值解法的最新进展;论述了求解... 详细信息

溃坝问题在水利工程的设计管理中具有重要地位,也是广大学者长期以来一直关注和研究的课题。回顾和总结了国内外对溃坝水流演进问题的研究进展:介绍了溃坝水流的数学模型及解析解法存在的困难,进而讨论了数值解法的最新进展;论述了求解溃坝水流一维问题的有限差分法、近似黎曼解的Godunov格式法、Boltzmann法、KFVS法和二维问题的TVD格式法、间断有限元法、有限体积法、特征线法,并分析了各种方法的适用范围和优缺点,及讨论了限制函数的使用;介绍了利用自由水面追踪方法计算溃坝水流的研究进展,并根据目前存在的不足和实际工程的需要,提出了进一步研究的方向和发展趋势。

关键词：溃坝水流数值模拟研究进展

基于GPU加速的SPH方法溃坝水流数值模拟研究

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基于GPU加速的SPH方法溃坝水流数值模拟研究

作者：张福红华北水利水电大学

学位级别：硕士

溃坝水流流动是典型的不可压自由表面流运动,对于溃坝水流的模拟及可视化研究是水利工程中仿真模拟范畴的重难点问题,精确地模拟出溃坝水流的流动特性对水利工程设计与安全评估有重要意义。对溃坝水流的研究涉及到流体的强非线性和各种... 详细信息

溃坝水流流动是典型的不可压自由表面流运动,对于溃坝水流的模拟及可视化研究是水利工程中仿真模拟范畴的重难点问题,精确地模拟出溃坝水流的流动特性对水利工程设计与安全评估有重要意义。对溃坝水流的研究涉及到流体的强非线性和各种复杂的物理学问题,直接求解析解几无可能,但随着各种近似解法的提出,尤其是数值模拟方法的进步,利用计算机技术进行数值求解可获得溃坝水流良好的近似解,可为此类水利工程问题研究提供可行技术手段,值得深入研究。传统的有网格法模拟方法受到水体连续性条件的约束和自由液面的界面追踪问题的困扰,对于求解流体问题存在先天性困难。SPH方法作为近代兴起的无网格方法,采用粒子流模拟自由表面流运动,消除了有网格法天然的弊端,完全回避了网格生成与扭曲问题。当SPH方法因采用大量粒子进行计算时,常常需要考虑计算效率问题,尤其是在高维水流模拟问题时,需重点考虑如何提高SPH方法的计算速度,以在合理的时间范围内得到有效的数值结果。本文基于SPH方法,借助CUDA并行模式的GPU加速优化计算,主要做了以下研究工作:(1)SPH方法基本理论研究。首先介绍了SPH方法基本思想、核近似、粒子近似方法及SPH方法中用到的数值技术;介绍了固壁边界条件和自由边界条件的边界处理方式,重点论述了动力边界条件涉及的边界斥力法和镜像虚粒子法及运动边界条件涉及的动态边界法。(2)GPU加速与CUDA并行计算理论研究。在GPU加速的CUDA架构计算下,结合数值算例Poiseuille流做了模拟验证,计算结果与数值解误差不超过4%。(3)二维溃坝水流模拟研究。将SPH模拟计算结果和文献实验结果比对,发现采用的SPH方法计算结果与文献实验结果吻合度为88.4%;从不同光滑长度和粒子数目的角度探究了其敛散性,得到比例系数收敛于1.25,粒子数目收敛于44034。(4)三维溃坝水流的数值模拟研究。分析了溃决水流的流速、流态,消能障碍物与各测点的受力及水体的能量变化;定量的计算了水体动能变化量,得到梯形障碍物块体消能效果最好,消能效率为14.154%。

关键词：溃坝水流光滑粒子流体动力学SPH GPU加速计算三维模拟

一种无干扰全流程水深测试方法及其在溃坝水流试验研究中的应用

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工程科学与技术 2019年第3期51卷 52-58页

作者：刘鑫王波张建民陈云良伍超刘文军宋家俊四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065 中国葛洲坝集团海外投资有限公司北京100025

基于MATLAB图像处理和计算机视觉模块函数库,开发了一种无干扰全流程水深测试方法:首先利用Camera Calibration工具箱标定摄像机以得到标定代码;其次,将记录水流运动的视频文件逐帧保存,利用标定代码消除每帧图片中由于广角镜头产生的... 详细信息

基于MATLAB图像处理和计算机视觉模块函数库,开发了一种无干扰全流程水深测试方法:首先利用Camera Calibration工具箱标定摄像机以得到标定代码;其次,将记录水流运动的视频文件逐帧保存,利用标定代码消除每帧图片中由于广角镜头产生的桶形畸变,并对图片灰度化和二值化,同时加入中值滤波消除噪声;最后,读取二值图黑色像素点,将其转换为实际水深,从而获取其时空分布特性。运用该方法对强非恒定流–溃坝水流进行了试验测量,研究工况为上游水深500 mm,水深比(初始时刻下游与上游水深之比)为0～0.9。观测发现,溃坝水流可大致分为3种演进模式:简单波(水深比为0)、间断波(水深比为0～0.4)、起伏波(水深比为0.4～1.0)。分别选取3种典型工况(水深比为0、0.3、0.6)数据与波高仪测量结果进行了对比,结果表明,除上下游静水区二者数据吻合良好外,下游水面光滑平顺的渐变流区、激波前锋与下游出现强间断的激波区及水面起伏明显的起伏波区,波高仪较图像技术都有不同程度的壅高,水流演进越剧烈,壅高越明显。本文建立的测量方法无需在水流中安放测量仪器,具有无侵入性,对流场无干扰,不仅能够获取全流程水深数据、重现水流完整演进过程,还能很好地捕捉到诸如水流跃起、翻滚、波动、空气卷吸等流态细节。另外,试验中保持稳定光照及染色浓度,有助于降低图片噪点、改善图片质量,从而进一步提高测量结果的精度。

关键词：水深测量无干扰全流程图像处理溃坝水流

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基于Godunov格式的溃坝水流数学模型

水科学进展 2010年第2期21卷 167-172页

作者：张大伟程晓陶黄金池何晓燕中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾研究所北京100038

为了更好地把握溃坝洪水风险,减小因溃坝洪水而造成的人员生命和财产损失,建立了基于Godunov格式的一维、二维溃坝水流耦合数学模型。一维溃坝水流模型采用HLL格式的有限体积法求解,二维溃坝水流模型采用基于非结构网格的Roe格式离散求... 详细信息

为了更好地把握溃坝洪水风险,减小因溃坝洪水而造成的人员生命和财产损失,建立了基于Godunov格式的一维、二维溃坝水流耦合数学模型。一维溃坝水流模型采用HLL格式的有限体积法求解,二维溃坝水流模型采用基于非结构网格的Roe格式离散求解,在一维、二维模型的链接处采用重叠计算区域的方法实现一维模型和二维模型之间的水力要素信息交换。经弯道溃坝算例和断面突变溃坝算例验证,该耦合模型具有良好的可靠性和适用性,验证后的耦合模型为大尺度的溃坝水流数值模拟打下了基础。

关键词：溃坝水流 Godunov格式数学模型

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上下游初始水深比对溃坝水流传播的影响

工程科学与技术 2019年第2期51卷 121-129页

作者：刘文军王波张建民陈云良伍超刘鑫宋家俊四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065

溃坝水流的传播很大程度上受着上下游初始水深比的影响,过去对溃坝洪水的试验研究很少涉及到上下游初始水深比大于0.5时的情形,大部分研究的系列性不足且较少关注洪水波在上游库区中的运动。作者在一个大尺度水槽(长18 m、宽1 m、高1.09... 详细信息

溃坝水流的传播很大程度上受着上下游初始水深比的影响,过去对溃坝洪水的试验研究很少涉及到上下游初始水深比大于0.5时的情形,大部分研究的系列性不足且较少关注洪水波在上游库区中的运动。作者在一个大尺度水槽(长18 m、宽1 m、高1.09 m)中,通过波高仪的测量手段对上下游初始水深比0～0.9范围内的大坝瞬溃洪水进行了大量实验,获取了许多新发现。研究结果表明:当下游无水时,溃坝水流波前区域的水深会出现明显的雍高,波前运动速度也明显低于Ritter解;当上下游初始水深比大于等于0.3时,溃坝水流演进一段时间后,在靠近闸门处会出现以波浪形式向库区演进的额外负波,该负波不同于以往研究中定义的与上游静水区衔接的负波;当上下游初始水深比大于等于0.5时,溃坝水流运动的稳态区会出现明显的波动,水流以波浪形式向下游演进,其中第1个出现的波浪波峰高度最高且在演进的过程中基本维持高度不变,但产生的这些波浪数量有限,波浪演进过后的断面水深会逐渐恢复稳定,且稳定后的水深与Stoker解符合较好。在试验观测到的范围内,同一水深比时,与上游静水区衔接的负波波速在演进的过程中不断降低至稳定值,而第1个出现的额外负波波速不断增加;下游波前的演进速度基本维持不变,而下游第1个出现的波浪波速会增加;另外,随着水深比的增加,第1个出现的额外负波波速变大,而下游第1个出现的波浪波速变小。从两组不同上游水深在同一水深比时各水力要素的对比情况中发现瞬时溃坝水流的运动在湿底情况下依然具有很好的相似性。

关键词：溃坝水流初始水深比水力特性额外负波波速

基于2D FEVM-SWEs的局部底床变形溃坝水流模拟

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水动力学研究与进展（A辑） 2015年第5期30卷 549-555页

作者：袁岳戎贵文戴会超肖柏青王静安徽理工大学地球与环境学院安徽淮南232001 河海大学水利水电学院江苏南京210098

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... 详细信息

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。

关键词：溃坝水流水位 2D FEVM-SWEs 反射波

基于修正控制方程的复杂边界溃坝水流数值模拟

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水力发电学报 2014年第5期33卷 99-107页

作者：冶运涛梁犁丽张光辉尚毅梓王佳蒋云钟中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038 四川省水利水电勘测设计研究院成都610072

建立了适应于结构网格的复杂边界浅水流动有限体积数学模型。基本控制方程采用对自由水面相对高度在水平向和垂直项进行分裂后形成的守恒性的修正二维浅水方程,在结构网格上采用中心型格式离散基本控制方程,采用能够有效捕捉激波的近似... 详细信息

建立了适应于结构网格的复杂边界浅水流动有限体积数学模型。基本控制方程采用对自由水面相对高度在水平向和垂直项进行分裂后形成的守恒性的修正二维浅水方程,在结构网格上采用中心型格式离散基本控制方程,采用能够有效捕捉激波的近似黎曼求解器HLLC计算界面通量,并使用坡度限制器重构界面两侧变量,利用MUSCL-Hancock在时间维上积分,使时空精度提升到二阶;分别采用中心差分格式和全隐式方法处理底坡项和阻力项,保证了模型稳定性。提出了局部修正底高和水位的干湿边界处理方法和基于B样条曲线的复杂边界处理方法,很好地处理了急变水流变化引起的干湿单元网格的动态交替和复杂边界处水流特性正确表达。最后通过算例证明了模型性能较好,具有推广价值。

关键词：水力学溃坝水流结构网格浅水方程复杂边界

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局部断面收缩的溃坝水流三维数值模拟

水利水电科技进展 2015年第6期35卷 20-25页

作者：戎贵文袁岳肖柏青向英奇安徽理工大学地球与环境学院安徽淮南232001 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210098

为研究局部断面收缩对溃坝水流传播的影响,采用压力隐式算子分割法求解雷诺时均方程和RNG k-ε紊流模型,建立了模拟三维局部断面收缩情况下溃坝洪水演进过程的数学模型。采用有限体积法对溃坝水流的控制方程进行离散,利用流体体积函数... 详细信息

为研究局部断面收缩对溃坝水流传播的影响,采用压力隐式算子分割法求解雷诺时均方程和RNG k-ε紊流模型,建立了模拟三维局部断面收缩情况下溃坝洪水演进过程的数学模型。采用有限体积法对溃坝水流的控制方程进行离散,利用流体体积函数法处理自由水面,物理变量采用交错网格布置,对局部断面收缩溃坝水流进行数值模拟计算,模拟结果与实体模型试验结果吻合较好。利用该模型研究了溃坝洪水负波的形成和传播过程,得到了负波形成和传播的规律以及溃坝水流的水位变化特征。

关键词：溃坝水流局部断面收缩负波水位数值模拟

基于COBRAS模型的突缩断面溃坝水流特性研究

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水力发电学报 2016年第5期35卷 94-101页

作者：戎贵文袁岳戴会超毛劲乔沈齐婷安徽理工大学地球与环境学院安徽淮南232001 河海大学水利水电学院南京210098 南京水利科学研究院南京210024

为研究局部断面突缩对溃坝水流演进的影响,采用有限体积法数值离散雷诺时均方程,并以COBRAS模型为基础建立了三维k-ε紊流数学模型,利用压力隐式算子分割法求解紊流方程,自由液面采用流体体积法追踪。通过经典溃坝物理模型试验资料对数... 详细信息

为研究局部断面突缩对溃坝水流演进的影响,采用有限体积法数值离散雷诺时均方程,并以COBRAS模型为基础建立了三维k-ε紊流数学模型,利用压力隐式算子分割法求解紊流方程,自由液面采用流体体积法追踪。通过经典溃坝物理模型试验资料对数学模型进行验证,在此基础上,数值模拟了局部断面突缩条件下的溃坝水流特性。计算结果表明:断面突缩引发了水流的强烈紊动,断面上游发生水跃、形成负波;溃坝水流在断面收缩处快速雍高,而后向上下游逐渐扩散;动压强在突缩断面的最大洪峰形成过程中达到了最大值,然后逐渐减小;总压强在突缩断面最大洪峰形成前后的一段时间内保持着较为稳定的最大值。

关键词：水力学数值模拟溃坝水流收缩断面负波压强变化