基于VOF的量水槽流场数值模拟

利用Fluent软件,采用VOF方法与标准k-ε紊流模型相耦合,对U型渠道平底抛物线形无喉段量水槽的流场进行三维数值模拟。通过建立不同渠槽模型,分析不同流量工况下沿程水面线及速度场分布,将数值模拟结果与实测结果、公式计算结果进行对比,结果表明,模拟值与实测值、公式计算值吻合较好。并应用该数值模拟方法对量水槽的流量公式进行了检验,为提高其测流精度提供一定的参考依据,为该量水槽结构设计与优化提供了新的思路。     

基于遗传算法的非饱和溶质运移参数优化

根据室内实验和数值模拟数据,分别以土壤含水率和溶质质量浓度的实测值与其计算值标准差最小为优化目标,建立溶质和水分运移参数识别的多目标优化模型,采用遗传算法、有限差分法和线性加权法相结合的计算方法,对模型进行优化求解。分别以单组、2组和3组时刻实验数据组合作为参数优化初始数据,获取了土壤非饱和水分和溶质运移参数值,并以1 345 min时刻实验数据进行验证。含水率计算值与实测值相关系数的最大值和最小值分别为0.975 3和0.945 0;溴离子溶液质量浓度的计算值与实测值相关系数最大值和最小值分别为0.964 6和0.935 2,实测值与计算值吻合较好,表明用这一方法识别非饱和水分-溶质运移参数是可行的。     

含变气压非刚性联接件机械动力过程数值模拟

介绍了对含变气压非刚性联接件机械计算机数值模拟方面的研究进展，着重讨论了其动力过程计算机数值模拟的基本方程、实用方程、计算原理及计算结果。动力过程所做功的计算值与实测值的误差均小于5％。动力过程计算机数值模拟为该机械的性能预测和参数优化提供了新的方法。     

冬小麦土壤水分运动数值计算

基于示范区田间试验与数值模拟的方法,考虑冬小麦根系吸水的影响,建立了冬小麦田间土壤水分运动的数学模型;采用差分方法求解了数学模型,并进行了程序设计和程序验证;数值计算结果表明,实测值与计算值有较好的一致性;对不同灌水定额方案作了模拟计算,提出了冬小麦节水灌溉模式。     

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。     

康平县开发区水源地地下水流数值模拟及介质参数的敏感度分析

为防止地下水资源过量开采及保证康平县开发区水源地的安全生产,根据该区的水文地质条件,利用地下水数值模拟软件Visual Modflow建立了地下水流数值模拟模型,数值模拟表明:该区地下水位计算值与实测值拟合较好,可以用来预测。利用该模型对不同开采方案下水源地的流场变化进行了预报期为15 a的预测。最后采用正交试验法对模型参数的敏感度进行了分析。     

蓄水多坑入渗条件下土壤水分运动建模与试

针对蓄水坑灌坑内水头高且非恒定和土壤入渗边界复杂的特点,建立了蓄水多坑三维入渗及土壤水分运动数学模型,采用ADI交替方向隐式差分格式结合Gauess-Seidel迭代法对模型进行求解,并进行了试验验证,结果表明计算值与实测值吻合较好,说明所建立的数学模型正确,采用的数值求解方法是可行的.     

梯形渠道圆柱形量水槽水力特性数值模拟

采用RNGk-ε紊流模型及VOF方法处理自由水面,数值模拟了梯形渠道圆柱形量水槽三维水流运动。通过对多个流量情况的计算,获得了驻点水深、水面位置、三维水流流态等圆柱形量水槽水力特性。数值模拟的自由水面位置、三维水流流态与试验结果基本一致,驻点水深的计算值与实测值的最大相对误差为4.11%,最小相对误差为0.53%。研究表明,采用的数值模拟方法,能够有效地模拟圆柱形量水槽水力特性,模拟精度能够达到量水设备要求的精度。     

矩形渠道半圆柱形量水槽数值模拟研究

采用RNGk-ε紊流模型封闭时均雷诺方程,VOF方法追踪自由表面,对矩形渠道中两种不同收缩比(0.49、0.67)的半圆柱形量水槽进行三维数值模拟,得到量水槽全域内的流速分布规律、水面线、过槽流量等水力参数,并与实测值、公式计算值进行对比,结果表明,模拟值与二者吻合度较好,从而证明所选紊流数学模型是合理可靠的,为半圆柱形量水槽的设计选型提供了新的方法和依据。     

射流混药装置二维和三维流场对比分析

为了探索射流混药装置的设计方法和试验方法,从数值模拟和试验研究两方面对射流混药内部流场进行了对比分析.建立了射流混药装置的三维模型,且将射流混药装置侧向农药入口等效为环向入口建立了其二维轴对称模型,分别确定了二维轴对称流场和三维流场的数值模拟方案,采用CFD软件Fluent对其流场进行了数值计算,并比较了二维轴对称模型与三维模型完成计算的CPU时间,结果表明二维轴对称模型比三维模型的计算效率高64%.搭建了混药试验台,测量了射流混药装置流动性能参数.试验研究的测量结果与数值模拟方案的计算结果对比确证表明：二维轴对称模型数值计算结果与实测值的最大偏差和平均偏差分别为7.41%和4.14%;三维模型数值计算结果与实测值的最大偏差和平均偏差分别为5.13%和3.41%,这表明确定的射流混药装置二维轴对称模型和三维模型的数值模拟方案均可用于工程计算.     

Developing a reliable strategy to infer the effective soil hydraulic properties from field evaporation experiments for agro-hydrological models

The Richards equation has been widely used for simulating soil water movement. However, the take-up of agro-hydrological models using the basic theory of soil water flow for optimizing irrigation, fertilizer and pesticide practices is still low. This is partly due to the difficulties in obtaining accurate values for soil hydraulic properties at a field scale. Here, we use an inverse technique to deduce the effective soil hydraulic properties, based on measuring the changes in the distribution of soil water with depth in a fallow field over a long period, subject to natural rainfall and evaporation using a robust micro Genetic Algorithm. A new optimized function was constructed from the soil water contents at different depths, and the soil water at field capacity. The deduced soil water retention curve was approximately parallel but higher than that derived from published pedo-tranfer functions for a given soil pressure head. The water contents calculated from the deduced soil hydraulic properties were in good agreement with the measured values. The reliability of the deduced soil hydraulic properties was tested in reproducing data measured from an independent experiment on the same soil cropped with leek. The calculation of root water uptake took account for both soil water potential and root density distribution. Results show that the predictions of soil water contents at various depths agree fairly well with the measurements, indicating that the inverse analysis is an effective and reliable approach to estimate soil hydraulic properties, and thus permits the simulation of soil water dynamics in both cropped and fallow soils in the field accurately.     

新疆干旱区膜下滴灌土壤水平衡模拟

膜下滴灌技术是干旱农业区高效节水灌溉的重要手段,以玛纳斯河流域石河子试验站实测数据为基础,运用HYDRUS-2D模型对1膜4行方式下新疆棉田的土壤水运动进行了二维模拟,探讨膜下滴灌在1膜4行覆膜方式下土壤水平衡状况。结果表明,1膜4行覆膜方式下的膜下滴灌技术使新疆棉田无效水分蒸发量以及深层渗漏量大大减少,数值模拟方法可较好地模拟新疆棉田的土壤水平衡状态。上述研究可为宏观尺度上的膜下滴灌模拟与研究提供借鉴,同时对保障干旱区农业生产也有积极作用。     

果树蓄水坑灌法单坑水分入渗数值模拟及分析

根据果树生理特性与土壤水动力学理论，建立了非恒定水位复杂边界条件下的蓄水单坑均质土入渗及土壤水分运动的数学模型，并采用交替方向隐式差分法进行求解。其模拟结果与实测结果吻合较好，表明利用该方法模拟蓄水单坑的水分入渗问题是可行的。用本模型模拟了不同条件下的入渗过程，并对入渗规律的影响因素进行了分析，为蓄水坑灌理论与灌水技术要素的深入研究做了一些基础性的工作。     

华北冬小麦-夏玉米农田水分动态模拟研究

冬小麦-夏玉米连作是华北地区主要的粮食作物种植模式。根据华北季节性冻土区的特点,将全年划分为作物生长期与越冬期,分别建立了作物生长条件下农田水分运移模型、冻融条件下土壤水热运移模型。前一模型主要包括参照腾发量计算、腾发量分配、作物根系吸水、土壤表面蒸发、土壤水分特征参数和土壤水分运动等子模型;后一模型主要包括冻土水热耦舍迁移、地气水热交换等子模型。应用以上模型对冬小麦-夏玉米连作条件下的土壤水分过程进行模拟,根据北京永乐店试验资料对模型进行检验。模拟了不同降水水平年、不同灌溉处理下的农田灌溉制度及土壤水分过程,分析了降水、灌溉对农田蒸散、土壤水利用、深层渗漏等的影响。     

冬季田间水热状况的数值模拟

根据土壤冻结过程中水热迁移的基本方程，推导了土壤水热耦合方程，改进了冻结条件下土壤水热迁移问题的求解方法。用该模型模拟了室内土柱冻结试验，模拟结果与试验结果吻合较好，同时计算速度较快。根据地表能量平衡原理、微气象学理论，建立了冻结条件下土壤蒸发模型，将其作为土壤水热迁移的上边界条件，模拟了北京永乐店试验站冬小麦试区１９９５～１９９６年越冬期（１９９５．１２．０１～１９９６．０２．２９共３个月）土壤的冻融过程，模拟结果与实测值基本符合。在模拟过程中，采用有限差分法求解土壤水热运动方程，水、热方程的上边界分别为第二、三类边界。根据模拟结果，分析了越冬期土壤水热状况的变化规律     

覆膜开孔条件下斥水性层状土壤蒸发实验

覆膜开孔影响田间非均质土壤的水分运动过程,尤其当斥水程度不同时,其运动过程更趋于复杂.在控制土表不同覆膜开孔率条件下,进行了不同斥水程度的塿夹砂和砂夹塿的土柱蒸发实验,测定和分析了不同条件下土壤水分蒸发量变化过程和含水率剖面.结果表明,全覆膜的累积蒸发量-时间曲线明显较低,相应的蒸发10d后土壤水分剖面也与初始水分剖面接近,对于塿夹砂尤其明显.覆膜开孔率增加时,同条件下两种层状土的累积蒸发量与全覆膜相比均有明显增加,表明一旦覆膜开孔,覆膜保墒效应便明显降低.斥水程度增加时,累积蒸发量有所减小,说明斥水性的存在降低了水分运移速率.当土壤为严重斥水时,斥水性对水分运动过程的影响比覆膜开孔率的影响更明显.对于不同斥水程度的塿夹砂,采用对数函数表达累积蒸发量和时间的定量关系较好,而对于不同斥水程度下的砂夹塿分别采用幂函数和对数函数表达.     

覆膜开孔入渗——蒸发条件下夹砂层土壤水、盐、热变化规律

入渗-覆膜开孔蒸发条件下砂夹层影响水、盐、热运动的方式和规律尚不清楚。通过不同埋深砂夹层土体室内入渗-蒸发试验,分析了3个不同埋深砂夹层和覆膜开孔影响下土体水、盐、热变化规律。试验结果表明,夹砂层土体在整个积水入渗过程中经历非线性、线性两个过程;砂夹层对水流有一定的阻滞作用,同时对盐分的淋洗不利;不同覆膜开孔率蒸发条件下,任意时刻剖面温度分布均为表层0cm最高,土体底部最低,25cm为土体温度变化的影响深度;25cm以上不同砂夹层埋深土体剖面温度梯度规律表现为T（5～10cm埋深）〉T（10～15cm埋深）〉T（20～25cm埋深）。     

不同位置秸秆覆盖条件下土壤水盐运动实验研究

以地下水与土壤水动力学理论为基础,通过对不同地下水埋深不同位置秸秆覆盖试验资料分析,建立了土壤水分运动数学模型,并进行了数值模拟,试验实测数据与模型计算值吻合较好,说明所建立的模型是可行的。并以此为基础,分析了不同地下水埋深不同位置秸秆覆盖土壤含盐量,得出地表以下30 cm处秸秆覆盖的土壤含盐量大于地表表层秸秆覆盖的土壤含盐量,这为新疆地区控制潜水蒸发改良盐碱地研究提供了可靠的基础依据。