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。     

基于故障树分析的堰塞湖溃坝概率估计方法

堰塞湖排险的一个关键问题是如何针对实施不同应对措施情况下的堰塞湖溃坝概率进行估计,这是一个值得关注的重要研究课题。本文提出了一种基于故障树分析(FTA)的堰塞湖溃坝概率估计方法。首先,通过堰塞湖排险问题的实际背景分析,基于FTA构建了堰塞湖溃坝故障树的基本架构;然后,通过相关领域知识、历史案例分析、专家主观判断和多位专家主观判断信息的融合,可以确定实施某一应对措施情形下故障树中各基本事件在不同时段内发生的概率;进一步地,依据构建的故障树和基本事件发生的概率,给出了在不同时段内堰塞湖溃坝事件发生的概率的估计方法。最后,通过一个实例分析说明了本文所提出方法的可行性与有效性。     

浅水涌波数值模拟的Roe平均法

为了适应数值模拟浅水涌波的需要，给出了冻结直角坐标系下的浅水波方程组系数矩阵的Roe平均法。通过对一维浅水波方程组的几种冻结法关于溃坝问题进行的数值实验比较。充分展示了Roe平均法在模拟涌波方面的优越性。     

固定网格下的特征线法求解溃坝问题

溃坝问题是典型的非线性双曲方程的Riemann问题，其数值求解的难点在于对间断面的捕捉以及避免间断面处在数值计算过程中产生数值色散，因而为求解此问题所产生的各种数值计算方法的优劣也体现在这两个方面。本文针对溃坝问题提出一种新的计算方法。该方法基于对偶变量推导的浅水波方程，根据方程的特点，从方程的特征值和黎曼不变量出发，采用高精度的激波捕捉方法计算黎曼不变量的位置随时间的变化，然后映射至不随时间变化的固定网格。根据黎曼不变量的位置，采用保形分段三次Hermite插值将物理量映射至网格节点。计算结果显示，该方法不仅操作简单，计算量小，而且结果准确。     

修正压力梯度粒子近似SPH方法计算大密度比界面流动

计算了高密度比的多界面流动问题.为保证多相SPH(smoothed-particle hydrodynamics)方法捕捉界面光滑性和消除界面附近压力震荡，修正了动量方程压强梯度项的粒子近似，在界面施加了排斥力.采用Rayleigh-Taylor界面不稳定性、非Boussinesq锁定交换、溃坝和气泡上升等算例验证了该方法的准确性和健壮性，得到不同时刻界面（粒子）分布、压力云图和指定点压力时间分布、界面锋面距离等.所得结果表明:计算结果(如界面形状、光滑性和指定点压力分布等)与实验值或其他文献结果符合较好.修正的压力梯度项粒子近似，改善了多相SPH方法对高密度比、大变形和破碎多相界面的模拟能力和光滑性，同时界面附近未出现明显的压力震荡.     

非牛顿流体二维溃坝问题的数值模拟

移动粒子半隐式法(Moving Particle Semi-implicit,MPS)是一种广泛应用于不可压缩自由表面流动的粒子方法。本文通过把非牛顿流体转化为变黏度牛顿流体的处理方法将MPS方法拓展至非牛顿自由表面流动,以Casson流体和Cross流体为例计算了非牛顿流体的二维溃坝问题。将计算结果与前人数据进行了对比,结果吻合较好。同时对比了非牛顿流体与牛顿流体的计算结果,发现非牛顿流体的溃坝前端发展速度较慢。     

非定常自由面流激波解的二阶守恒算法

将计算双曲型守恒律弱解的Lax-Wendroff型TVD格式推广到断面形状沿程任意变化的一般浅水方程组，构造了二阶精度的差分格式．新格式适用于模拟天然河道中溃坝洪水波的传播．提供了表明方法性能的算例，实际天然梯级水库溃坝问题的数值实验表明格式稳定，适应性强．     

基于MPS-FEM耦合方法对比研究刚性与弹性挡板对液舱晃荡的抑制作用

由流体冲击载荷引起的流固耦合问题广泛存在于船舶与海洋工程领域.例如:在特定激励频率下载液货舱内流体的非线性运动引起对舱壁的砰击作用,进而可能影响液舱围护系统的安全性.由于此类流固耦合问题通常涉及多学科知识,且流体自由面的变化具有强非线性特征,对研究人员带来较大挑战.考虑到Lagrange类方法在处理结构和流体自由面大变形问题上的优势,基于MPS-FEM耦合方法开发了流固耦合求解器.其中,采用MPS方法来数值模拟流体场瞬态变化,FEM方法来分析结构场的变形问题.此外,该求解器采用了弱耦合的方式来实现流体场和结构场之间的数据传递.为了验证该方法在处理流固耦合问题上的可靠性,首先数值研究了溃坝泄洪流与弹性挡板之间的流固耦合标准算例,数值结果与实验标准结果能够较好地吻合.此后,采用该求解器数值研究了带刚性挡板和弹性挡板的液舱晃荡问题,对比分析了多种激励频率下两种挡板对液舱内流体运动及舱壁上冲击压力的抑制效果.     

溃坝问题的粒子方法模拟

溃坝问题包括水体自由表面变形、翻卷、破碎、复杂的紊流和漩涡,涉及非线性复杂水动力学问题,含有丰富而复杂的流动机理。本文改进了传统的物质点方法,将物质点法从模拟固体问题拓展到了流体问题。采用改进的光滑粒子流体动力学和物质点方法,对两种长宽比的水坝坍塌过程进行了数值模拟,得到了波浪前沿及自由表面顶面随时间的演化过程。计算结果表明,两种粒子方法模拟的水体发展过程与实验结果吻合较好,较VOF更接近实验值。对涌波与竖直壁面的作用进行了计算,结果表明,SPH方法与其它方法相比能更好地捕捉水腔形态。最后分析了两种粒子方法在处理流体大变形问题时的特点以及计算的准确性和精度。     

用CE/SE法对弯曲与分叉河道的溃坝洪水波的数值研究

对作者的二维溃坝洪水波的数学模型进一步推广,得到了一般形式的基于任意四边形网格的时空守恒元和解元方法(简称CE/SE法)的新的格式.CE/SE法从守恒积分型浅水方程出发,设立守恒元和解元,严格保证其物理意义上的守恒律,并且构造思想简单,格式通用性好.首先采用CE/SE法计算等宽矩形河道的溃坝洪水波,并与Stoker解析解进行比较,在此基础上,数值模拟了180度强弯曲河道、45度三支分叉河道的二维溃坝洪水波的演进过程,揭示了溃坝洪水波在弯曲河道中内外两岸速度与水位的变化,在分叉河道中自动进行流量与动量的再分配,在分叉点处形成旋涡,水位变化剧烈等复杂的运动特征,算例结果表明基于任意四边形网格的CE/SE法精度高,稳定性好,该格式对各种不规则几何区域内的溃坝问题具有较强的适应性,对溃坝洪水波的间断具有较高的分辨率.