三维海洋水动力计算σ坐标转换存在的问题及改进方法

三维水动力模型在准确模拟海洋物理特性中起着重要的作用,传统的σ坐标转换由于当时计算机能力所限,舍去了复杂的高阶项,在实际复杂地形（或水深变化）环境下,会带来一定的误差或计算失真等问题.由此,为了适应高精度计算结果的需求,对原有σ坐标三维水动力模型进行了重新修正.在改进后的模型中,综合考虑了经σ坐标变换引入的与流速、水位、地形相关的复杂高阶项,选用特定的插值函数,利用有限元和差分相结合的方法,进行求解σ坐标下的完整三维浅水模式方程.相比原模型,改进的模型对底坡、水深、潮汐振幅等变化适用范围更为广泛,能更好地模拟出复杂水深变化下的垂向流动分布特征,计算结果具有更高的精确度;改进的模型针对一些极端水位条件（潮汐振幅与水深比大于0.15）,其计算误差同样可保持在一个较低的范围内;同时,改进的模型只需更短的时间就可运行至稳定状态.     

热污染的三维椭圆型数值模拟

过去对复杂流动的三维数值模拟往往要采用许多简化处理方法,使得数值模型的适用性受到很大限制,所得结果也不能全面反应流场的特征.本文用有限容积法直接求解三维椭圆型流动控制方程,紊流模型采用有浮力修正的κ-ε模型.本文首先将该模型用于有横流情况下岸边等密度排放问题,以检验本数值模型和计算程序的正确性,所得结果正确预报了排放口下游的回流区,与文献[7]的计算和实验结果一致.然后进一步将其应用于有横流情况下的温排水、取水问题,所得结果合理,并精细地揭示了流场的内部特征.     

具有分数导数型本构关系的粘弹性柱的动力稳定性

研究简支的受轴向周期激励的粘弹性柱动力稳定性,柱的材料满足分数导数型本构关系.建立了描述粘弹性柱动力学行为的弱奇异性Volterra积分-偏微分方程,利用Galerkin方法将其化归为弱奇异性Volterra积分-常微分方程.利用平均化方法的思想给出了粘弹性柱运动稳定状态的存在性条件.给出一种新的计算方法,克服了存储整个响应历史数据的困难,并给出了数值算例,计算结果与解析方法的结论比较吻合.     

突然扩张方管中三维湍流流动的数值模拟

本文运用SIMPLEC算法计算了突然扩张方管中的三维湍流流动,湍流模型采用k-ε模型。计算结果详细反映了突然扩张方管中三维湍流流场。从本文结果可以看出,由于突然扩张方管几何形状非轴对称,且尺寸有限,边壁对流场的作用是不可忽略的。以往文献中常见的二维突然扩张湍流的数值模拟结果与三维情况有较大差别,在靠近边壁的区域差别很大,因此对于突然扩张方管中湍流流动的数值模拟应用三维模拟。本文计算所得突然扩张截面后主回流区长度与实验结果接近。本文方法可为数值模拟突然扩张方管中湍流流场及各物理参数的分布提供有效工具。     

三维油水运移聚庥数值模拟的交替方向格式和分析

研究油气运移聚集史的数值模拟,其数学模型是三维非线性偏微分方程组的初边值问题,我们从实际出发,考虑了重力、毛管力浮力的作用,同时考虑到三维总理２大规模科学和工程计算的特征,提出对流动方程采用大步长的混合元法,而对三维饱和度方程的计算,采用一类交替方向特征有限元法,钭其化主国连续解三个一维问题,使工程数值计算成为可能,应用张量积计算,负模估计和先验估计理论,得到最佳阶Ｌ＾２误差估计。     

全附体ONRT船模在波浪中自航的数值模拟

采用基于重叠网格技术的CFD方法数值研究了全附体ONRT船模在迎浪工况中自航的水动力特性.文中数值计算采用自主开发的面向船舶与海洋工程的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU.自航计算中船体运动及螺旋桨转动等通过重叠网格技术完成,波浪环境则采用求解器中的三维数值造波和消波模块实现.计算中自航船模的螺旋桨转速通过静水自航数值计算得出,波浪工况计算采用东京2015 CFD会议中标准算例进行设置.数值计算结果,如船体运动、实时航速变化等,与试验数据进行了对比分析.此外,给出了数值预报的推力和扭矩系数,并且通过详细的流场信息来分析和解释了船模在波浪中自航过程中的水动力变化情况.数值预报结果同试验值吻合较好,说明采用当前结合重叠网格技术和CFD的数值方法可以很好地预报波浪中自航问题.     

波浪中多船近距离并行航行的水动力干扰研究

采用三维势流理论及多体动力学理论建立了波浪中近距离并行航行多船波浪作用力及运动响应的计算模型.为考虑航速效应对船体间自由面的影响,采用三维移动脉动源Green(格林)函数来模拟船间的辐射波及绕射波.采用该数学模型求解了零航速及有航速情形下两船近距离并行时的流体动力项及运动响应,和模型试验结果比较验证了方法的可靠性.将该方法推广至三船并行航行的情形,重点分析了三船并行时水动力干扰和两船并行时水动力干扰的差异.     

三维电阻抗成像的体积元方法的数值模拟和分析

电阻抗成像是一类椭圆方程反问题,本文在三维区域上对其进行数值模拟和分析.对于椭圆方程Neumann边值正问题,本文提出了四面体单元上的一类对称体积元格式,并证明了格式的半正定性及解的存在性;引入单元形状矩阵的概念,简化了系数矩阵的计算;提出了对电阻率进行拼接逼近的方法来降低反问题求解规模,使之与正问题的求解规模相匹配;导出了误差泛函的Jacobi矩阵的计算公式,利用体积元格式的对称性和特殊的电流基向量,将每次迭代中需要求解的正问题的个数降到最低.一系列数值实验的结果验证了数学模型的可靠性和算法的可行性.本文所提出的这些方法,已成功应用于三维电阻抗成像的实际数值模拟.     

三维油水运移聚集数值模拟的交替方向格式和分析

研究油气运移聚集史的数值模拟,其数学模型是三维非线性偏微分方程组的初进值问题．我们从实际出发,考虑了重力、毛管力和浮力的作用,同时考虑到三维问题大规模科学和工程计算的特征,提出对流动方程采用大步长的混合元法,而对三维饱和度方程的计算,采用一类交替方向特征有限元法．将其化为连续解三个一维问题,使工程数值计算成为可能．应用张量积计算．负模估计和先验估计理论,得到最佳阶Ｌ~２误差估计．     

考虑挡板间水动力相互作用影响的矩形TLD水箱阻尼比分析

利用能量耗散原理,推导了底部安装有多块垂直挡板和左右侧壁对称安装有多组水平挡板的矩形TLD水箱在正弦激励荷载下的线性阻尼比估算公式,通过引入速度势函数修正因子考虑了挡板间水动力相互作用的影响,对矩形水箱的阻尼比计算公式进行了修正.将考虑挡板间水动力相互作用影响与否得到的矩形水箱阻尼比计算结果与振动台试验结果进行了对比分...     

三维热传导型半导体器件瞬态模拟问题的Crank-Nicolson差分-流线扩散有限元法及其数值分析

本文研究三维热传导型半导体器件瞬态模拟问题的数值方法.针对数学模型中各方程不同的特点,分别提出不同的有限元格式.特别针对浓度方程组是对流为主扩散问题的特点,使用Crank-Nicolson差分-流线扩散计算格式,提高了数值解的稳定性.得到的L2误差估计关于空间剖分步长是拟最优的,关于时间步长具有二阶精度.