用格子Boltzmann方程模拟浅水波问题

提出了用格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方程（ＬＢＥ）模拟浅水波问题的方法．通过无粘气体运动方程与浅水波方程的比较，确定了ＬＢＥ方法中平衡态的形式，使宏观方程与浅水波方程一致．计算了二维浅水波的一个问题，数值结果与精确解做了比较．     

复杂地形条件下WENO-Roe方法在浅水模拟中的改进

在分析浅水方程与二维空气运动方程差异的基础上,在不改变原有浅水方程形式的前提下,提出了局部水位法离散连续方程,并针对动量方程中底坡项提出了更具普遍意义的离散方法,保证了浅水方程离散后的平衡性。通过不规则地形下潮流以及混合流流动的模拟,得到的计算结果符合物理实际,与精确解符合良好,最大相对误差不超过4%,验证了此方法在复杂地形上的平衡性,同时本方法又具有良好的间断捕捉能力与稳定性。     

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．     

用离散速度方法计算浅水长波方程

用离散速度法计算浅水波方程，将空气动力学方程和浅水波方程作了比较，用Nadiga提出的近平衡流动方法模拟浅水波方程的连续和间断解。计算了一维的溃坝波问题和Thacker提出的连续解问题，结果与精确解作了比较，并且计算了水流跃过障碍物的问题。     

求解浅水波方程的并行物理信息神经网络算法

双曲守恒律方程是一类比较特殊的偏微分方程,其数值求解方法的研究一直是一个热点问题,一个显著特性是即使初始条件是光滑的,其解也可能会发展成间断。浅水波方程作为非线性双曲守恒律方程,由于间断解的存在,其精确求解存在很大困难。针对浅水波方程数值求解问题,本文基于PINN(Physics informed neural networks)反问题网络结构构造新的网络,构造的网络结构包括两个并行的神经网络,其中一个网络与已知状态数据(熵稳定格式加密求出)相关,另一个网络与方程本身相关。利用已知速度数据结合浅水波方程本身求解未知水深,最终通过一些数值算例验证网络的可行性。结果表明,新的网络结构可用于浅水波方程求解,利用速度数据可以较为精确地推算出水深。     

变深度浅水域中非定常船波

以Green—Naghdi(G—N)方程为基础，采用波动方程／有限元法计算船舶经过变深度浅水域时非定常波浪特性．把运动船舶对水面的扰动作为移动压强直接加在Green-Naghdi方程里，以描述运动船体和水面的相互作用．以Series60 CB＝0．6船为算例，给出自由面坡高，波浪阻力在船舶经过一个水下凸包时变化规律，并与浅水方程的结果进行了比较．计算结果表明，当船舶经过凸包时，波浪阻力先增加，后减少，并逐渐趋于正常．同时发现，当船速小于临界速度时(Fr＝√gh＜1．0)，G—N方程给出的船后尾波比浅水方程的结果明显，波浪阻力也比浅水方程的结果有所提高，频率散射必须考虑．当船速大于临界速度时(Fr＝√gh＞1．0)，G—N方程的计算结果与浅水方程差别不大，频率散射的影响可以忽略．     

位移浅水内孤立波

研究两层浅水系统中的内孤立波,该系统由两层常密度不可压缩无黏性水组成。利用Lagrange坐标和Hamilton原理,推导了两层浅水系统的位移浅水内波方程,并进一步导出了两层浅水系统的位移内孤立波解。数值实验表明,位移内孤立波与经典的KdV内孤立波吻合很好,说明Lagrange坐标和Hamilton方法适用于内波分析,可以为构造内波分析的保辛方法提供一种途径。     

变深度非均匀流中非线性重力波调制理论

本文考虑了缓变水深和缓变流对Stokes波包的影响,用WKB展开式推导出一个新的任意水深的四阶波包演化方程,推广了Turpin等人的有限水深三阶Schrdinger方程,在常深度无流条件下,新方程同U Brinch—Nielsen等人的无流任意常水深四阶方程的二维形式完全一致;此外,我们用差分法研究了变地形和流对孤立波包演化的影响。     

位移浅水内孤立波

研究两层浅水系统中的内孤立波，该系统由两层常密度不可压缩无黏性水组成。利用Lagrange坐标和Hamilton原理，推导了两层浅水系统的位移浅水内波方程，并进一步导出了两层浅水系统的位移内孤立波解。数值实验表明，位移内孤立波与经典的KdV内孤立波吻合很好，说明Lagrange坐标和Hamilton方法适用于内波分析，可以为构造内波分析的保辛方法提供一种途径。     

不规则地形上浅水模拟平衡性的实现

天然河道地形复杂而无规律,采用守恒型浅水方程进行水流运动数值模拟时往往会出现不平衡现象。本文在任意四边形网格的基础上采用Roe方法对守恒型浅水方程进行离散,针对连续方程离散后所出现的不平衡性,从原方程及离散方法的物理实质出发提出了局部水位法,使该问题得以解决;参照数值通量构造方法采用有限体积法构造了底坡项的离散方式,消除了动量方程底坡项离散后可能出现的虚假流动现象,同时保证了物理量的守恒性。将模型应用于松花江佳木斯河段的水流模拟中,其计算结果表现出了良好的守恒性、收敛性和平衡性。     

翻转的Varga材料球壳的渐近分支

众所周知,弹性球壳在翻转后可能不再保持球壳形状而出现起皱现象,也就是出现分支解。本文运用WKB方法,分析了各向同性且不可压缩的超弹性Varga材料球壳翻转后的变形问题。在大模数情形下,对于A-B=O(1),得到了球壳内、外径比的分支临界值的渐近表达式。对模数区域内几乎所有的模数,分析结果与数值结果吻合得很好。     

同位网格上SIMPLE算法收敛特性的Fourier分析

应用Fourier方法研究了同位网格上SIMPLE算法求解浅水方程的收敛特性,并就松弛因子组合及阻力项的影响进行了分析.结果表明,采用合适的松弛因子组合可以很快地消除高频区域的误差,同时也可逐步消减迭代中低频区域的误差以获得收敛解.在保证收敛的前提下,低频误差分量决定了迭代速度,而且浅水方程中阻力项越大越利于SIMPLE算法收敛.     

一维孔隙率浅水方程及其数值离散

通过孔隙率方法来描述挡水物对过水能力的影响建立了一维孔隙率浅水方程. 采用有限体积方法和Roe格式的近似Riemann解建立了孔隙率浅水方程的离散模式. 对底坡和孔隙率源项采用特性方向分解的方法进行处理,使模型精确满足C(Conservative)特性,增加了模型的稳定性. 通过算例模拟证明了模型可以对河道中的挡水物作用进行模拟,且计算结果表明模型具有和谐、稳定、分辨率高等优点.      

浅水孤立波在三维浮体上的绕射

浅水域中非线性水波运动的控制方程通常是经过深度平均的Boussinesq方程。然而,这一方程在浮体近旁或水下障碍物附近不再适用,在这些区域,流动在水深方向的变化不容忽略,本文应用匹配渐近展开法和边缘层(edge layer)思想,建立了浅水弱非线性波与三维浮体相互作用的数学模型,作为算例,求解了浅水孤立波在垂直圆柱形浮体上的绕射.本方法可以推广到波在一般浮体上绕射的情况。     

一类有角点效应的塑性本构方程 Ⅰ.一般理论

本文从张量代数的观点提出了一类塑性本构方程,这类方程给出了塑性应变增量dε~p和立力增量dσ之间的一一对应关系。可证明,这类方程自然地表示出所谓的角点硬化模型。对这类塑性本构方程中的若干例子作了系统的表述。对塑性而言,应力的类时测度dσ=[(3/2)tr(dT~2)]~(1/2)和应变的类时测度dε=[(2/3)tr(de~p)~2]~(1/2),可用以有效地表示加载或应变的历史,其中dT是在Jaumann率意义下的偏应力增量,de~p表示塑性偏应变的增量。首先,把材料看成是初始各向同性的,但随着变形而变为各向异性。对这一情形,可以有效地应用Wang的对各向同性张量函数的表示定理。然而,在这情形中,各向异性是受到限制的。因此,这种理论应推广到初始及随后的一般各向异性起重要作用的情形。这样,把各向异性的屈服法则,如随动硬化、随动各向同性硬化以及其他一般无角点的各向异性硬化情形跟有角点硬化情形相结合就成为可能了。如引入自然时间测度dt,则理论可推广来表达跟自然时间有关的非弹性本构方程,如蠕变和/或粘弹性等。此外,如果同时引进自然时间测度和内部时间测度,即dt跟加dσ或dt跟dε的结合,则理论还可推广到同时跟自然时间和内部时间有关的非弹性本构方程,如粘塑性和/或动态塑性所需表达的情形。有些情形,还要考虑跟温度的     

椭圆余弦波在垂直薄楔上的绕射

本文讨论了非线性浅水波在薄楔上的绕射问题.在波的反射可以忽略时,控制水波动运的二维Boussinesq方程简化成抛物型方程.作为一个算例,文中数值求解了椭圆余弦波行经垂直薄楔时的绕射影响和演化过程.计算表明,非线性浅水波在薄楔上的绕射也存在“马赫茎”效应.     

浅水波方程的高精度隐式WCNS格式

设计了高精度隐式WCNS格式,用于数值求解浅水波方程。方程通量导数采用四阶隐式紧致差分格式计算;半节点通量采用五阶非线性加权插值方法计算。对于含源项浅水波方程,采用特殊的源项处理,使得隐式WCNS格式具有和谐性,即在静水条件下保持流速为零,水位为常数。通过线性算例及几个经典的无源项和含源项数值算例对WCNS格式进行测试,结果表明:该格式在光滑区具有四阶精度,在间断处具有良好的捕捉激波能力,同时对于含源项问题具有保持静水条件下定常解的和谐性。     

关于中厚板胡海昌方程的讨论

胡海昌引入两个函数F和f,把中厚板问题归结为两个不耦联的方程 但边界条件是耦联的。本文拟讨论两个问题。 1.边界条件的解耦问题 方程(1)和(2)的求解难易,很大程度上决定于边界条件能否解耦。文[1,2]都曾提出把边界条件化为先后两个问题。下面仅讨论固支边情形。 文[1,2]均把固支边的边界条件     

海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架

海底地震动的模拟以及海洋工程结构的地震反应分析中,涉及到海水、饱和海床、弹性基岩、结构之间的相互耦合.传统的方法分别采用声波方程描述理想流体、Biot方程描述饱和海床、弹性波方程描述基岩和结构,分别考虑相互之间的耦合,十分不便.本文基于理想流体、固体分别为饱和多孔介质的特殊情形(孔隙率分别为1和0),由饱和多孔介质的Biot方程可退化得到理想流体的声波方程和固体的弹性波方程.然后,以饱和多孔介质方程为基础,经集中质量有限元离散,考虑不同孔隙率的饱和多孔介质之间耦合的一般情形,建立了该耦合情形的求解方法.进一步论证了该一般情形的耦合计算方法可分别退化到流体与固体、流体与饱和多孔介质、固体与饱和多孔介质之间的耦合计算,从而将流体、固体、饱和多孔介质间的耦合问题纳入到统一计算框架,并编制了相应的三维并行分析程序.以P-SV波垂直入射时,半无限层状海水-饱和海床、海水-弹性基岩、海水-饱和海床-弹性基岩三种情形的动力分析为例,采用统一计算框架结合透射边界条件进行求解,并与传递矩阵方法得到的解进行对比,验证了该统一计算框架的有效性以及并行计算的可行性.      

楔形杆中弹塑性波的一种渐近展开式

据我们所知,楔形杆中弹塑性波尚未有很好的分析方法。对弹性波有文献[1,2]等,其中文献[1]研究了圆锥壳轴向撞击的波动问题,发现楔形杆是其很好的近似,故后者的研究对圆锥壳具有重要意义。文中采用拉氏变换方法求得两种特殊情况下(波阵面和冲击端附近,的渐近解,而一般情形下的解未能得到。也有人用WKB方法讨论了类似问题,但仅限于波长很短的情形,局限性很大。另外,文献[5]用正则摄动法研究了楔形杆的自振问题。 本文针对楔形杆(和圆锥壳)的特点建议了一种渐近展开式,并求解了弹性波和弹塑性波问题,并与其他一些方法及其结果进行了比较。