基于生活实践的工程流体力学启发性教学初探

工程流体力学教学中需要强调理论与实践的有机结合.本文提出基于生活实践案例以问题链形式进行启发性工程流体力学教学.以总流能量方程及水头损失计算教学为例,设计了"自来水水龙头堵住一部分出口后水流喷射的距离和流量如何变化"这一简单生活实践问题,将重要知识点贯穿其中.教学应用效果表明,启发性、开放性的生活实践问题,能够很好地引导学生综合运用理论知识,解决实际问题,同时能够培养学生的生活观察和独立思考能力.     

波浪扰动下河口幂律异重流的动力场分布特性

河口底层浮泥异重流的运动特性对于河口维持以及港口航道泥沙淤积过程具有重要的作用, 是海岸学科研究的关键内容, 也是热点内容之一. 本文首先综述了河口泥沙异重流研究的重要意义, 分析并总结了各家异重流理论模型的不同点和适应条件; 其次, 根据本文研究问题的实际需要, 构建了波浪与底泥相互作用的双层流体理论分析模式, 将上层流体简化为常见的牛顿体, 而将下层流体的流变关系设置为幂律函数, 研究了波浪作用下河口底部幂律异重流的流场特性. 这些特性包括:波浪速度场、底泥运动的流速场、不同密度影响下的压力场以及异重流泥面波与表面 波的波幅比等, 分析了泥层密度、波动圆频率以及底泥幂律指数对流场及界面波的影响. 研究发现, 在波浪扰动下, 两层流体交界处速度分量连续, 压强出现突变. 在下部泥层中, 水平速度幅值曲线存在极大值. 随着波动圆频率增加以及泥层密度与流动指数的减小, 界面处上下压强差值呈现增大的趋势. 本模型与实测波幅比的数据进行对比结果证实了模型的合理性.      

摆动河槽水动力稳定性特征分析

河流形态与水动力结构息息相关,形态约束水动力结构,水动力结构则通过泥沙运动进一步塑造形态,在自然界河流中形成一对辩证互馈关系.天然河流形态形式多样,大致可以分为顺直、微弯、分叉和散乱游荡几种类型,其中微弯及多个弯曲构成的河型为河流动力演化中最重要的一环.多个弯曲构成的河型可用正弦派生曲线来描述,它也是天然河流主槽与水动力结构复杂相互作用的结果.作为探讨这一过程的力学作用机理,构建摆动槽道并研究槽道摆动与其内部流动结构的互馈关系,既是流体力学研究的热点内容,也是目前河流动力过程研究的基础内容.在此重点讨论这一互馈关系前一部分,即水流对摆动边界的响应.文中建立了随体坐标系下摆动河槽与内部水流动力响应理论模型,通过给定摆动弯曲槽道的不同特征参数,研究讨论了正弦派生型摆动边界下的槽道水流动力稳定性特征,明确了弯曲槽道摆动对其内部主流及扰动水流结构的影响,确定弯曲槽道摆动波数、摆动频率对扰动流发展影响的相应参数定量关系,得到了槽道弯曲度和摆动特征对其内部水流不同尺度扰动影响的阈值选择性范围.     

基于联合有限元-离散元的混凝土重力坝破坏三维仿真模拟

水利工程中混凝土重力坝在地震等作用下的三维破坏形式以及破坏过程对大坝安全影响重大。本文建立了固体材料的联合有限元-离散元(Combined Finite-Discrete Element)三维数学模型,并引入Single/Smeared断裂损伤模型,模拟混凝土材料的破坏。数学模型经验证后,用于地震作用下混凝土重力坝破坏的三维数值模拟,结果表明,联合有限元-离散元方法能够有效模拟坝体的破坏模式和破坏阈值条件,且具有将坝体连续变形与不连续断裂有机结合的优点。通过一系列数值模拟工况的对比,分析了模型网格分辨率对破坏条件、破坏模式以及程序计算效率的影响,研究结果能够为大坝的抗震设计提供有价值的参考。     

小角度斜向入流条件下复式断面明渠流速重分布线性理论

自然界中复式河道的来流方向常受径流量、滩槽形态影响,往往与主槽存在小幅度夹角,使得目前基于顺直河道假定的漫滩水流大量的理论成果难以适用.为研究斜向入流影响,采用平面二维浅水方程描述沿程均匀的复式断面明渠水流运动,选取斜向角度作为小参数,运用摄动法推导了小角度(θ20°)斜向入流条件下复式河道流速分布的线性解析解,并利用数值模拟结果进行验证,流速分布吻合较好.理论分析结果表明,斜向来流时由于出现垂直于河道方向流速分量,使得顺河道方向流速沿河宽分布偏离正向来流情况下的对称形态而重新分布,入流侧流速减小而对岸流速增大;在斜向角度θ=13°且滩槽水深比为3∶8的情况下,偏离幅度可达21.8%,该幅度随滩槽水深比的减小而增大.该文针对斜向来流对流速分布的修正将为进一步研究复式河道泥沙运动和河流演变提供更为准确的水动力条件.     

振荡流底层拟序结构及其与泥沙相互作用研究

湍流拟序结构与泥沙及床面相互作用的机理, 是目前国内外泥沙学术界研究的热点领域. 本文针对单向流和振荡流底边界层的湍流拟序结构与泥沙相互作用研究状况进行了综述, 重点论述了振荡流底边界层湍流研究的概况与今后需要开展的重点研究内容.      

常曲率弯道二维流动稳定性与非线性演化规律分析

国内外对弯曲河流的研究从线性特性转移到不稳定性与非线性特性上来, 弯曲河流作为一个不稳定的系统, 主要是受到水流和边界的不稳定性的影响.针对弯曲河流中存在的水流动力的不稳定性与非线性特征,利用弱非线性理论与摄动法进行展开, 在微弯条件下建立了时间模式下的常曲率 弯道二维水流扰动幅值与扰动幅角的非线性演化方程.研究了在不同弯曲度下的扰动发展特征,探讨了扰动流场在弯曲度影响下的时空分布的规律,分析了扰动流场中出现的扰动漩涡的运动过程, 阐述了弯曲度对弯曲边界内水流不稳定性的影响, 具体表现为在微弯的情况下, 弯道的弯曲度增大会提高河湾内水流的稳定性, 扰动振幅与扰动幅角会随弯曲度的增大其衰减速度更快, 并且扰动流速的对称性在弯曲度较大时减弱, 逐渐向弯道的凸岸偏斜, 在中性状态附近 的弯道水流动力具有对流不稳定性和非线性衰减的特征.本文的研究成果为构建水流动力非线性与床面形态几何非线性相互作用的模型提供了思路.      

明渠层流失稳与沙纹成因机理研究

动床水流中,泥沙起动之后,往往要出现沙纹,沙纹成因各家的解释不一。白玉川,罗纪生的观点是:沙纹的尺度较小,主要是由于明渠层流不稳定性波或床面近壁流层中小尺度拟序结构发展演化所致。当床面边界附近扰动波或拟序结构以及水流自身所产生的床面底部切应力大于Shields切应力后,床面即产生响应,形成沙纹;如果扰动所产生的扰动切应力频率接近床面泥沙固有频率,则产生与泥沙颗粒的共振,这种现象也称之为“泥沙的检波性质”,此时床面发生最大响应,沙纹发展速度也最快。     

常曲率大深宽比河湾拟序扰动结构与床面响应关系探讨

蜿蜒河流床面形态既是其复杂动力结构响应的结果,同时也是决定河流进一步演化方向的重要因素.以蜿蜒河流中一种典型的大深宽比河湾为背景,探索其动力结构与床面响应的关系,将黏性不可压缩流体方程、泥沙输移方程和床面变形方程耦合,通过摄动方法求解床面响应,分析床面形态变化特性.研究成果显示在水流二维扰动作用下,河道中浅滩深槽呈现规则响应.当弯曲度等于0时,床面响应形态围绕河道中轴线基本呈反对称分布;当弯曲度不等于0时,床面响应形态呈不对称分布,中轴线向凹岸偏移.该文给出了由Reynolds(雷诺)数、扰动波数、床面形态增减率等构成的床面响应发展趋势稳定关系的判别方法.     

基于GPU并行计算的浅水波运动数值模拟

利用有限体积法求解描述水流运动的二维浅水方程组,模拟洪水波运动传播过程,并通过GPU并行计算技术对程序进行加速,建立了浅水运动高效模拟方法。数值模拟结果表明,基于本文提出的GPU并行策略以及通用并行计算架构(CUDA)支持,能够实现相比CPU单核心最高112倍的加速比,为利用单机实现快速洪水预测以及防灾减灾决策提供有效支撑。此外,对基于GPU并行计算的浅水模拟计算精度进行了论证,并对并行性能优化进行了分析。利用所建模型模拟了溃坝洪水在三维障碍物间的传播过程。