数值模拟在钱塘江涌潮分析中的应用──Ⅱ.计算结果和分析

关于钱塘江涌潮分析中用数值模拟的计算结果和分析,对于一维情况,采用有精确解问题的计算、水跃的数值模拟和溃坝的数值模拟来检验数值方法的正确性,并将该方法应用于钱塘江涌潮的计算．对于二维情况,对存在理论解的直道水激波与有实验数据的湾道溃坝和非线性水波爬坡问题进行了计算,并将该方法应用于钱塘江涌潮的计算,数值计算结果表明了方法的有效性．     

数值模拟在钱塘江涌潮分析中的应用──Ⅰ.数值计算方法

利用数值模拟的方法对钱塘江涌潮从杭州湾口开始形成、发展直至消失的全过程进行了深入全面的描写．从杭州湾口到钱塘江出口,采用二维圣维南浅水波方程描述水波的运动,而在钱塘江河内采用一维圣维南浅水波方程描写涌潮的发展过程．详细描述用于一维和二维圣维南方程计算钱塘江涌潮的数值计算方法,首次把无结构网格上的NND格式应用于求解二维圣维南方程,并给出了详细的推导过程．对上下游水边界分别采用无反射边界条件和特征线方法,而对于动边界问题本文也给出了相应的处理方法．     

基于简单WENO-RKDG的溃坝问题数值模拟

对溃坝问题水流间断面的高精度、高分辨率数值模拟是水动力学的重要内容。简单加权本质无振荡(WENO)限制器由"问题单元"及其相邻单元的解重构"问题单元"的解,从而抑制数值解的非物理振荡,能够很好地模拟间断问题。本文详细介绍了简单WENO限制器的基本原理和过程。将简单WENO限制器-Runge-Kutta间断Galerkin方法应用于二维浅水控制方程的求解中,对二维矩形明渠中大坝瞬间全溃、局部溃塌所致的水流运动进行了数值模拟,并将数值计算结果与理论分析进行了比较。计算结果表明,方法能够清晰地捕捉到溃坝全过程中的间断,没有非物理的振荡现象发生,简单WENO限制器-RKDG方法能够很好地模拟溃坝波的演进过程。     

《涌潮随笔——一种神奇的力学现象》序言

<正>这是中国力学学会大众力学丛书编委会奉献给读者的丛书第八册.请大家聆听一位与钱塘江涌潮相伴了大半生的老教授述说涌潮的林林总总.有很多人知晓钱塘江涌潮,凡是观赏过钱塘江涌潮的朋友无不倾倒于它的气势和魅力.涌潮会给你带来无限遐想:它有怎样的前世今生?它有怎样的神奇传说?它是怎样产     

一种改进的MPS粒子作用模型

从分析角度出发,为移动粒子半隐式法(MPS)提供了一组新的粒子作用模型,该模型在粒子局部坐标系下进行泰勒展开,同步获取各算子的粒子近似式,确保了离散精度的一致性.方法对于随机分布的粒子和边界附近的粒子同样适用.文中利用三个算例对该方法进行了检验,计算结果与分析解符合较好.最后,运用该方法成功模拟了自由面流动的二维溃坝问题.     

一种建筑材料细观力学数值模拟的新方法

数值流形方法通过数学和物理双重网格,分析连续和非连续问题,已应用于模拟节理岩体裂隙的开裂与闭合问题.但对于裂纹尖端的局部化问题,数值流形方法需要像有限元那样在裂纹尖端设置细密单元.本文利用裂纹尖端解析解将数值流形方法的基函数进行扩展,推导了相应的试函数.从最小势能原理出发提出了断裂力学的数值流形方法,推导了相应的求解方程,将其应用于建筑材料细观力学数值模拟.最后给出两个数值算例,将计算结果与解析解对比,说明该方法的正确性和可行性.     

修正SPH方法在自由表面模拟中的应用

对传统光滑粒子动力学(SPH)方法进行修正,提出了一种密度初始化方法,同时采用一种新的固壁边界处理方法,模拟溃坝问题。通过液滴旋转和无透空块体溃坝问题的模拟验证了修正SPH方法的有效性和在自由表面模拟中的准确性,分析了密度初始化对流动的影响;数值结果表明,修正SPH方法提高了数值计算的精度和稳定性。最后应用修正SPH方法模拟了有透空块体和挡板紧挨水柱的溃坝现象,比较了有无透空块体两种情况下右端直墙上压力变化情况,结果表明,透空块体可使右端直墙上的压力减小,有无挡板、挡板位置和水柱长高比对溃坝现象有重要影响。     

一维溃坝洪水波的高精度数值模拟

将ENO(Essentially Non-Oscillatory)格式和Runge-Kutta时间离散的思想应用于一维Saint-Venant方程组的求解,数值模拟溃坝洪水,得出了水位和流速的沿程分布。经与理论解比较可见,数值解在间断波附近没有出现数值振荡,水位和流速大小均符合较好,表明ENO格式是一类新的高精度无振荡差分格式,采用ENO格式所建立的高分辨率模型能够很好地模拟溃坝波的演进过程。     

水底管道抛石加固过程的DEM-SPH耦合分析

水底管道的抛石加固过程是典型的颗粒-流体耦合问题.采用DEM-SPH耦合方法模拟颗粒-流体系统,其中离散元方法(DEM)用于模拟落石,光滑粒子流体动力学方法(SPH)用于模拟流体.通过三维Voronoi切割算法生成不规则形状的多面体,并基于闵可夫斯基原理构造扩展多面体形态的落石单元.通过SPH的边界排斥力模型计算颗粒与流体间的作用力,从而建立DEM-SPH耦合方法.采用该方法模拟溃坝与楔形块入水的过程,将计算结果与试验结果及其他数值结果进行对比分析,分别验证了 SPH与DEM-SPH耦合方法的合理性.建立锥形结构模拟卸料斗和水底管道,采用DEM-SPH耦合方法模拟落石通过卸料斗入水并与水底管道相互作用的过程,确定了落石和水对管道的作用力,并分析了卸料斗静止与运动时的落石堆积情况.以上研究表明,DEM-SPH方法可有效模拟颗粒材料、水和工程结构的相互作用,可进一步应用于水下抛石过程的结构和参数设计.     

易贡滑坡堰塞湖溃坝洪水分析

滑坡堰塞坝体主要由块石、碎石土等松散材料组成,随着上游水位的不断上升,极易失稳,一旦决口将对给下游人民的生命财产安全造成极大的威胁。因此,研究堰塞坝溃坝问题具有重要的学术意义和应用价值。2000 年 4 月 9 日,西藏林芝地区波密县易贡藏布河扎木弄沟发生大规模山体滑坡堵塞易贡藏布江,形成坝高60m,长约2500m,库容可达288×108m3,体积约28×108～30×108m3的滑坡堰塞湖, 2000年6月10日堰塞坝溃决。本文以易贡堰塞湖溃坝为例,从连续性方程及Navier Stokes方程出发,结合标准型湍流模型,并采用VOF方法进行自由面处理,基于流体计算软件Fluent模拟分析了溃坝洪水在下游弯曲河道的演进过程及不同位置的流速变化。数值模拟结果与实测资料记录基本一致,表明该模型能够模拟溃坝洪水在地形复杂弯曲河道中的演进过程。     

饱和非饱和土壤中溶质运移的数值模拟

本文结合拉格朗日观点的运动坐标与欧拉观点的固定坐标,分别求解对流—弥敌方程的对流效应和弥散效应,并在从固定坐标向运动坐标投影时利用了三次样条插值方法,使模型更为精确而简单。通过与特定情况下的理论解比较,说明模型是准确可靠的。通过与实验室室内试验结果的比较,模型的可靠性得到了进一步的验证。利用模型对淡水洗盐结合浅群井抽排咸水治理盐碱地过程的模拟分析,认为结合浅群井抽排可较大地提高淡水洗盐的效果。     

低渗透多孔介质渗流动边界模型的解析与数值解

考虑启动压力梯度的低渗透多孔介质非达西渗流模型属于强非线性动边界问题, 分别利用相似变量变换方法和基于空间坐标变换的有限差分方法, 对内边界变压力情况下、考虑启动压力梯度的一维低渗透多孔介质非达西渗流动边界模型进行了精确解析与数值求解研究. 研究结果表明:该动边界模型存在唯一的精确解析解, 且所求得的精确解析解可严格验证数值解的正确性;且当启动压力梯度值趋于零时, 非达西渗流动边界模型的精确解析解将退化为达西渗流情况下的精确解析解. 由求解结果作出的非零无因次启动压力梯度下的地层压力分布曲线表现出紧支性特点, 其与达西渗流模型的有显著不同. 因此, 研究低渗透多孔介质中非稳态渗流问题时, 应该考虑动边界的影响. 研究内容完善了低渗透多孔介质的非达西渗流力学理论, 为低渗透油气藏开发的试井解释与油藏数值模拟技术提供了理论基础.      

Effect of quadratic pressure gradient term on a one-dimensional moving boundary problem based on modified Darcy’s law

A relatively high formation pressure gradient can exist in seepage flow in low-permeable porous media with a threshold pressure gradient, and a significant error may then be caused in the model computation by neglecting the quadratic pressure gradient term in the governing equations. Based on these concerns, in consideration of the quadratic pressure gradient term, a basic moving boundary model is constructed for a one-dimensional seepage flow problem with a threshold pressure gradient. Owing to a strong nonlinearity and the existing moving boundary in the mathematical model, a corresponding numerical solution method is presented. First, a spatial coordinate transformation method is adopted in order to transform the system of partial differential equations with moving boundary conditions into a closed system with fixed boundary conditions; then the solution can be stably numerically obtained by a fully implicit finite-difference method. The validity of the numerical method is verified by a published exact analytical solution. Furthermore, to compare with Darcy’s flow problem, the exact analytical solution for the case of Darcy’s flow considering the quadratic pressure gradient term is also derived by an inverse Laplace transform. A comparison of these model solutions leads to the conclusion that such moving boundary problems must incorporate the quadratic pressure gradient term in their governing equations; the sensitive effects of the quadratic pressure gradient term tend to diminish, with the dimensionless threshold pressure gradient increasing for the one-dimensional problem.     

Solution of the laminar duct flow problem by a boundary integral equation method

Summary A boundary integral equation method is proposed for approximate numerical and exact analytical solutions to fully developed incompressible laminar flow in straight ducts of multiply or simply connected cross-section. It is based on a direct reduction of the problem to the solution of a singular integral equation for the vorticity field in the cross section of the duct. For the numerical solution of the singular integral equation, a simple discretization of it along the cross-section boundary is used. It leads to satisfactory rapid convergency and to accurate results. The concept of hydrodynamic moment of inertia is introduced in order to easily calculate the flow rate, the main velocity, and the fRe-factor. As an example, the exact analytical and, comparatively, the approximate numerical solution of the problem of a circular pipe with two circular rods are presented. In the literature, this is the first non-trivial exact analytical solution of the problem for triply connected cross section domains. The solution to the Saint-Venant torsion problem, as a special case of the laminar duct-flow problem, is herein entirely incorporated.     

黏弹性人工边界等效荷载计算的改进方法

黏弹性人工边界在场地地震反应和结构-地基动力相互作用等问题的计算中已得到了广泛的应用.地震波在黏弹性人工边界中的输入是通过将地震波转化为作用于人工边界处的等效载荷来实现的.计算等效节点载荷的常规方法默认边界节点对应区域内的应力为均布力,但实际上该节点对应区域内的应力分布通常是不均匀的.本文在有限元方法结合黏弹性局部人工边界的显式时域波动方法的基础上,建立了无限域散射问题地震波等效载荷计算的一种改进方法.该方法采用细化网格与应力积分相结合的方法计算人工边界等效节点力,有效地降低了人工边界上等效节点力的计算误差.以不同角度入射地震波的二维算例为例,算例给出的波场位移云图和节点位移时程曲线验证了本文方法的有效性,其计算精度与网格尺寸和地震波入射角度密切相关,且网格越小、入射角度越小,计算精度越高.对于相同的网格尺寸,本文采用方法的计算精度明显高于常规方法,尤其是对于斜入射问题优势更为明显.     

WELL-POSEDNESS OF INITIAL VALUE PROBLEM FOR EULER EQUATIONS OF INVISCID COMPRESSIBLE ADIABATIC FLUID ＊

Introduction Itisreasonabletoconsiderarealfluidasanidealoneinfluidmechanicsundermany conditions.Forinstance,ingeneral,forthedistributionofthefluidfieldaroundtheaerocraft,mostpartofthefluidfieldmayberegardedasidealfluidexceptforasmallpartwhereeffects ofviscousandheatconductioninthethinlayernearthesurfacemustbeconsidered.Evenif thefluidiscompletelysupposedasidealonethroughoutthefluidfield,thequitereasonable resultsarealsogained,thereforestudyingidealfluidhasnotonlytheoreticalsignificancebut also…     

Numerical boundary conditions for globally mass conservative methods to solve the shallow‐water equations and applied to river flow

A revision of some well‐known discretization techniques for the numerical boundary conditions in 1D shallow‐water flow models is presented. More recent options are also considered in the search for a fully conservative technique that is able to preserve the good properties of a conservative scheme used for the interior points. Two conservative numerical schemes are used as representatives of the families of explicit and implicit numerical methods. The implementation of the different boundary options to these schemes is compared by means of the simulation of several test cases with exact solution. The schemes with the global conservation boundary discretization are applied to the simulation of a real river flood wave leading to very satisfactory results. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

A NEW EFFICIENT METHOD TO BOUNDARY VALUE PROBLEM FOR BALLISTIC ROCKET GUIDANCE

IntroductionThe problem of motion control for the mass center of ballistic rocket pertained typicallyto the boundary value problem for two points with the non-linear and multi-variables,namely,given the initial states of rocket,in order to satisfy the res…