基于四参数随机生长法重构土体的渗流细观数值模拟

基于四参数随机生长法(QSGS),根据土体孔隙率,重构土体微观结构.通过格子Boltzmann方法,左右采用不透水边界,上下边界采用非平衡外推格式,颗粒之间的碰撞采用标准反弹格式,建立饱和土体渗流模型,并让恒定流速的水渗入模型.结合算例,推导了宏观物理单位与格子单位之间的转换关系,编制相关Matlab程序,并且进行运算分析,探讨在计算机模拟情况下的微观土体结构中水的渗流变化规律.结果表明:根据QSGS方法所重构的土体生成过程与自然环境下多孔介质的生成过程类似,重构土体性状各异,连通性和结构与实际土体类似;在连通性良好的前提下,土体中水的渗流速度与孔隙率大小有关;同一土体中渗流通道越小的位置水的渗流速度越小,渗流通道越大的位置渗流速度越大;在相同孔隙率条件下,大颗粒土的平均渗流速度比小颗粒土的平均渗流速度大,而小颗粒土的渗流更为稳定.     

基于格子Boltzmann方法的饱和土体细观渗流场

根据土体的孔隙率,采用随机配置的方法建立了二维土体孔隙结构.基于格子Boltzmann方法(LBE方法),通过设置入口、出口边界为非平衡态外推格式、左右边界及土颗粒边界为标准反弹格式的边界条件,建立了模拟饱和土体渗流的二维模型.编制了相应Matlab计算程序,模拟了在一定孔隙率的土体中,当恒定流速入渗时,土体渗流场的分布情况并探讨了渗流流速的变化规律.研究结果表明:在渗流过程中,土体流速的分布情况在整个渗流区域内较为均匀,且在孔隙连通性好、孔隙较大的区域流速较快.土体孔隙率越大,土体的渗流速度越大,且在渗流场内绝大部分孔隙格点的流速小于入口处的流速.当孔隙率恒定时,入口流速越大,渗流场内孔隙格点上流速分布的离散性越大.因此,LBE方法可以有效地模拟土体的渗流情况,为进一步研究土体渗流机理提供了一种新的研究手段.     

坡面流格子Boltzmann方法与Preissmann隐式差分法模拟

以D1Q5速度模型为例,时间多尺度分析为手段通过待定系数法来确定平衡态分布函数,将格子Boltzmann方法应用于坡面流运动方程;通过理想算例,以解析解为标准,比较了格子Boltzmann方法与应用广泛的Preissmann4点隐式差分法的计算精度。研究表明,对于模拟坡脚断面水深和单宽流量过程,格子Boltzmann方法的D1Q5模型的计算精度高于Preissmann 4点隐式差分法,尤其在退水阶段。对于达到平衡时间之前的坡面水深和坡面单宽流量,格子Boltzmann方法的D1Q5模型的计算精度也高于Preissmann 4点隐式差分法。但对于达到平衡时间之后的坡面水深和坡面单宽流量,格子Boltzmann方法的D1Q5模型在x=1 m点上出现了较大的相对误差,计算精度逊于Preissmann 4点隐式差分法。将格子Boltzmann方法应用于坡面流运动时,弛豫时间选择范围以[1,1.2]s为宜。     

泵站前池水沙流的数值模拟

针对泵站前池内的水沙流动,基于格子Boltzmann方法和大涡模拟思想,建立了二维浅水LBM-BGK模型和泥沙数学模型的联合计算模式,进行了水沙流的数值模拟研究.介观LBM-BGK模型采用了LES的亚格子尺度应力SGS模式模拟二维浅水方程,宏观二维平面泥沙数学模型包括悬沙输运方程、河床变形方程、水流的挟沙力公式等.水流与悬沙之间的求解方法采用非耦合解模式,即先求解出水流运动控制方程,再求解泥沙输运方程,推求前池底部的冲淤变化.最后,成功地模拟了泵站前池水沙流的流速分布、水深变化和旋涡的位置和尺寸,以及泥沙的冲淤变化,流速计算结果与试验结果比较吻合.计算结果表明：此联合计算模式在一定程度上客观地、较好地重演了前池内水流的基本流态以及泥沙的冲淤变化.     

乔木根系吸水对软土路基影响机理研究

乔木根系发育,根系吸水作用显著。根系吸水作用下,根系附近饱和软土产生排水固结作用,使邻近路基土体发生变形乃至开裂病害,乔木根系吸水对软土路基影响机理研究有待深入研究。以沈海高速2159+600～2160+200软土路基受乔木根系吸水影响产生路基变形为研究对象,采用现场实验、数值模拟等研究方法,深入研究乔木根系吸水对软土路基影响机理。现场实验表明,乔木根系吸水作用下,在根系分布范围内产生明显的负压区,在负压作用下,周围饱和软土排水固结,路基最大沉降达25mm,路基最大水平位移发生于淤泥层达8mm,路基产生明显开裂病害,乔木砍伐后路基变形明显减少。根据现场实验结果,提出根系周围土体概化力学模型,建立根系吸水区周围土体的固结控制方程,并给出初始条件和边界条件。进一步数值分析结果表明,受根系吸水影响,路基周围土体变形比较明显区域约为4r0,路基土体变形随时间增长趋于减小。     

吸水口上自由表面旋涡的LES-LBM模拟

为了实现高雷诺数下自由表面旋涡生成与演化过程的数值模拟,将标准Smagorinsky亚格子应力模型引入到三维单相自由面格子Boltzmann方法中,建立结合大涡模拟的格子Boltzmann方法（LES-LBM）.当进口雷诺数分别为5×104和105时,考虑重力和科氏力的作用,采用LES-LBM对长方形水槽底部吸水口上方的自由表面旋涡的生成与演化过程进行数值计算,再现了自由表面旋涡发展过程中的典型流态,并根据其特点将自由表面旋涡的发展过程分为4个典型阶段.对比分析有、无科氏力作用下的高雷诺数流动算例,验证科氏力的作用.对自由表面旋涡发展过程中的B型（染色旋涡和挟物旋涡）和D型（连续吸气旋涡）自由表面旋涡的径向速度、切向速度以及轴向速度沿吸水口半径方向的分布规律进行重点分析.数值计算结果表明：采用结合大涡模拟的单相自由面格子Boltzmann方法,可以有效模拟高雷诺数下的自由表面旋涡生成与演化过程;验证了科氏力在诱导并促进自由表面旋涡发展过程中的作用;计算获得的自由表面旋涡内部流场的各速度分量沿径向的分布规律与试验结果定性一致,且几乎不随进口雷诺数的不同而改变.     

丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型

针对丘陵-平原-湿地复合地区降雨径流数值模型较少、而已构建的模型对水文要素空间分布和湿地区水流运动又反映不足,采用格子玻尔兹曼法和有限元法构建丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型。在模型构建过程中将复合区分为地势起伏较大的上游丘陵区和下游地势变化较小的平原湿地区。上游丘陵区降雨采用距离平方倒数法计算降雨空间分布、采用格子玻尔兹曼法建立非饱和区土壤水运动模型、利用达西公式建立饱和区水流运动模型、利用格子玻尔兹曼法构建汇流数值模型,进而构建了上游区的降雨径流数值模型。平原湿地区采用基于有限元四边形单元构建了水流运动数值模型。平原湿地区入口边界采用上游区降雨径流数值输出的流量过程,平原湿地区出口边界采用基于格子玻尔兹曼法的汇流模型计算的水位过程。四边形单元有限元求解水流运动方程实现了上、下游区的无缝连接,模型使用比较方便。以挠力河流域为研究对象进行了降雨径流和平坦区水流运动模拟研究,模拟结果良好,说明模型较为可靠。     

入渗、再分布和蒸发条件下一维土壤水运动的数值模拟

采用数值法求解非饱和土壤水分运动的Richards方程可采用不同的初始和边界条件,实现复杂条件下水分运动过程的预测。在确定入渗、再分布及蒸发的初始和边界条件基础上,采用隐式差分格式列出差分方程,对垂直一维积水入渗、半无限土体再分布及半无限土体裸土蒸发的水分运动过程进行数值模拟,模拟结果与实测资料的比较表明,就入渗湿润锋、累积入渗量的时间变化趋势及入渗、再分布和蒸发的土壤含水率剖面而言,其实测值与计算值比较符合,说明采用的算法、水分特征曲线模型和其它参数都是合理的,该方法可用来描述水分运动特征。     

自由表面旋涡数值模拟与涡、汇模型理论分析

为研究吸气旋涡的产生机理,并进行相应的理论分析,将水利和水工设备进水口前常见的自由表面旋涡现象简化为盆池自由放水模型,采用“流体体积”(VOF)方法结合RNG k-ε湍流模型模拟自由表面旋涡现象．通过数值模拟获得自由液面从纯水涡到吸气旋涡的生成与演化过程,将计算结果与理论Burgers涡模型进行对比,发现Burgers涡模型的切向速度分布方程与计算结果相符,涡量向中心聚集是导致自由液面发生凹陷并最终产生吸气旋涡现象的原因之一,同时发现Burgers涡的径向速度和轴向速度分布方程与计算结果相比存在很大差异．进一步简化模型后,剔除切向速度影响,模拟了无旋流体的排水过程．通过理论推导在球坐标系下提出“汇球面”模型,获得了较好的速度分布方程,并发现“汇”效应也是产生吸气旋涡现象的重要因素之一．     

一维管道Webster方程数值解法及适用范围

为了研究一维管道Webster方程的适用范围,介绍了采用有限差分策略和通过求解线性方程组获得一维Webster方程数值解的方法。通过比较直管、圆锥管道、指数型管道和悬链线管道的数值解和解析解,分析了该数值方法的求解精度。同时,在三维LMS Virtual Lab有限元分析软件平台上,对圆锥管道、指数管道、悬链线管道等三种典型喇叭管道中的声波进行了三维仿真分析。通过比较其基于一维Webster方程的解析解和三维仿真解,讨论了它们基于一维Webster方程的解析解的适用范围。最后,应用三次样条插值方法,设计了一种样条曲线管道,其入口端和出口端的声波更接近平面波。与三种典型喇叭管道相比,采用一维Webster方程数值解能更准确地预测其三维实际管道传声问题。     

区域尺度地下水浅埋区拟二维水流数值模型

建立拟二维系统模型,在非饱和含水层采用沿平面积分得到的垂向一维方程,在饱和含水层采用沿侧向积分得到的垂向二维方程,推导了模型的动态耦合项,提出饱和-非饱和含水层迭代耦合算法,解决潜水面处网格变动问题。与SWMS_2D进行对比,采用垂向二维水分运动稳定流解析解算例验证拟二维模型的准确度,采用非稳定流算例验证拟二维系统模型对计算效率提升的显著性。     

SUV车型发动机舱流场及冷却系统性能分析

针对整车开发设计初期的某款SUV设计车,建立了三维发动机舱流场数值模型和一维冷却系统数值模型。通过三维仿真模型计算可获得机舱内流场速度分布和流动方向、前端格栅进风利用效率及各换热器间密封情况,同时格栅位置的压力系数和散热器表面速度分布可作为一维仿真的边界条件,通过对一维模型的求解,可获得发动机的出水温度,确定冷却系统匹配的合理性,为样机制造前整车设计及冷却系统匹配仿真提供了一种有效方法。     

离心泵螺旋形压水室内流场的大涡模拟

用大涡模拟方法计算了离心泵螺旋形压水室内部非定常湍流。用具有二阶时间和空间精度的流线迎风有限元格式对滤波后的Navier-Stokes方程进行离散,用标准Smagorinsky模型作为亚格子尺度湍流模型。计算表明,按等速度矩法设计的压水室径向断面上存在较强的二次流,流动具有明显的非定常性。     

基于逆向设计理论的水泵水轮机设计与数值模拟

针对水泵水轮机效率普遍较低这一问题,借鉴低比转数混流式水轮机的叶片设计理论,对一给定参数的水泵水轮应用水轮机逆向设计理论对水泵水轮机进行水力设计、三维造型和ICEM网格划分;通过建立相对坐标系下的时均连续方程及N-S时均方程等控制方程组,利用标准k-ε湍流模型来封闭方程组,采用有限元体积法进行离散,离散方程的压力-速度耦合处理采用压力耦合方程组的半隐式(SIMPLEC)算法对水泵水轮机进行数值计算,得到其内流场流动特性,与试验的水泵和水轮机工况下压力分布对比分析,预测了水泵水轮机在设计工况下的转轮效率.数值模拟结果表明,基于逆向设计理论设计的水泵水轮机工况的最优效率可以达到91%,水泵工况的最优效率达到82%,充分说明应用逆向理论设计方法对水泵水轮机的设计,可以兼顾水泵工况和水轮机工况在较优的情况下运行.     

基于曲线网格的平面二维冷却水数

对曲线坐标系下冷却水控制方程采用控制体积法与SIMPLE算法进行离散求解，建立了基于曲线网格的平面二维冷却水数学模型。在此基础上，对概化连续弯曲河段冷却水运动进行了模拟，数值计算结果表明模型能合理反映温排水运动规律，证明了本模型运用于实际电厂冷却水模拟的可行性。     

多孔介质水分运动的随机数值分析

采用van Genuchten-Mualem模型描述非饱和水力传导度和水分特征曲线,将模型中的3个参数作为随机场处理,联合运用Karhunen-Loeve展开和摄动方法,得到饱和非饱和水流的一个随机数值模型。应用该模型分析了介质随机参数的空间变异性对水头分布的影响,结果表明,水头标准差对介质参数的敏感程度由大到小依次为非饱和参数n、β、饱和水力传导度Ks,饱和带水头分布的变异性较非饱和带小。     

动载荷反演问题的正则化求解

将状态空间的结构振动方程时城离散化,建立动态载荷反演的力学模型.在问题求解过程中,由于结构矩阵的病态特性以及测量噪声的影响,常规最小二乘法往往失效,通过对载荷反演模型详细的剖析,指出该病态问题的本质,提出了相应的正则化求解方法.数值模拟表明了本文方法的有效性,其可以得到满足工程要求的 稳定近似解.     

基于MATLAB的筒式水轮机导轴承润滑油膜承载性能分析

针对水轮发电机组筒式水轮机导轴承的润滑不良问题,以大型数学计算软件Matlab为工具对其润滑油膜承载力的分布即润滑油膜Reynolds方程(油膜压方程)进行了全新求解.首先利用五点差分法离散水导轴承压力方程并建立相应的代数方程模型;然后利用Matlab编程计算,定性探讨了不同偏心率下筒式水导轴承的油膜压力分布情况,并给出数值分析三维网格结果图形分布;最后,从所得压力分布情况,推出了润滑油膜力的非线性,且随着水导轴承偏心率的不同,主轴径向力和油膜承载力也随之相应变化.     

离心泵叶轮出口盖板形状对水力性能的影响

利用CFD数值模拟和试验两种方法,以Y80—100低比转速离心泵为研究对象,分析了离心泵叶轮出口盖板形状与水力性能的关系,对传统的圆弧形盖板和新型的直边型盖板进行了研究.从理论上分析了直边型盖板对离心泵性能曲线的影响.利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行离散,选用RNGk-ε湍流模型,压力和速度耦合采用SIMPLE算法,对两种水力模型在7种不同工况下分别进行数值计算,由数值计算结果重点分析了小流量工况下两种模型内部流场的动压、静压分布情况,并绘制性能曲线,预测曲线与试验曲线基本一致.研究表明：新型的直边型盖板具有消除性能曲线驼峰,提高泵的流量、扬程的特点.研究成果有较好的实际工程应用价值.     

基于数值模拟的地下水开采引起的地面沉降机理和对策研究——以定襄县贾家庄为例

以山西省定襄县贾家庄村抽水引起的地面沉降为例,采用多物理场耦合分析软件Comsol Multiphysics中的多孔弹性接口,基于Boit固结理论,建立抽水区-地面沉降流固耦合模型。通过计算,分析了地面沉降产生的原因,即当水位下降到一定深度后,土中的孔隙水压力降低,由于总压力基本不变,则有效应力相应增大,从而引起土体固结压缩产生地面沉降,并得出了地表变形位移以及含水层水头、土体孔隙水压力分布情况。最后,通过设定不同的开采条件计算工况,给出合理的开采管理建议。