TVD格式在上游调压室水击数值模拟中的应用

为了模拟含上游调压室水电站的水力过渡过程,采用TVD格式求解水击方程,并结合调压室系统的基本方程组和给定的边界条件来模拟水击压力变化。将此方法用于工程实例,其计算所得的水头与实测水头相吻合;并将计算所得的水头与MacCormark 格式和Lax-Friedrichs格式的计算结果比较,结果表明：TVD格式能有效模拟含上游调压室的水击现象,其结果具有耗散性低,不产生虚假数值震荡,计算精度高等优点。     

TVD格式数值模拟水电站水击波新探

水电站有压管道水击波数值模拟十分重要,其计算方法一直都是重点研究方向,TVD格式是数值模拟水击波的新方法,特别适合数值模拟强间断问题。其限制函数是该格式的核心问题,具有四种不同形式,将其运用于水击方程,数值模拟阀门突然关闭时水击波压力变化,与解析解进行对比,以此探究限制函数类型对TVD数值模拟水击波结果的影响。结果表明:四种限制函数TVD格式的计算结果,在间断处避免了非物理振荡,Superbee型TVD格式的分辨率最高,推荐该限制函数数值模拟水电站水击波。更多还原     

水击波数值模拟中高分辨率TVD格式优选

TVD方法特别适合数值模拟双曲型偏微分方程间断波问题,选用4种典型的TVD格式应用于水击方程的数值模拟。通过水击实例计算,将数值结果与理论解比较,揭示4种不同构造形式的TVD格式在捕捉水击波方面耗散性和压制性数值性能的差异,且TVD格式均优于常规的差分方法;改变计算库朗数条件下的计算结果表明:Harten修正通量TVD格式、TVD-MC格式以及全离散TVD格式在大范围库朗数条件下计算稳定性较差,优选Sweby反扩散TVD格式模拟水击,其计算稳定性良好,精度较高。     

一维水击波的高精度数值模拟

用本质无振荡ENO、TVD格式以及MacCormark和Lax-Friedrichs格式对一维水击模型进行数值模拟。结果表明,Lax-Friedrichs和二阶MacCormark格式在间断处有较大的数值耗散,计算精度较低,后者还存在明显的虚假数值振荡;TVD格式在光滑区具有高阶精度,在间断附近能在2个计算网格步长的范围内被光滑化,数值耗散较小;ENO格式数值解在间断附近无虚假数值振荡,数值解耗散很小,对间断具有较强的分辨能力和捕捉能力,能够很好地模拟水击波的变化过程。另外,ENO格式对计算网格的要求较TVD格式低,数值计算性能稳定。     

考虑迎风性的高精度水击数值模拟

水击问题会对水利枢纽的正常运行造成严重危害,模拟其过程至关重要。考虑TVD格式及水流的迎风性,应用于水击方程组中,模拟简单管道中的水击压力变化。并与Lax-Friedrichs(LF)、Mac Cormark(MC)、未考虑迎风性的TVD格式及解析解进行对比。结果表明:基于迎风性的TVD格式具有高分辨率、高精度、低耗散性等优点,相比于未考虑迎风性的TVD格式,其有更强的压制性,耗散性更弱。     

基于ENO格式的一维水击波数值模拟

选用近年来广泛应用于空气动力学和溃坝水力学的本质无振荡ENO格式,并采用平均通量差分分裂法对一维水击模型进行数值模拟,计算结果与解析解进行比较后表明:数值解在光滑区具有较高精度,数值耗散性小;在间断附近没有出现虚假数值振荡,与解析解符合较好,200 s与20 s计算结果基本保持一致。证明ENO格式稳定性能好,精度高,能够很好地模拟水击波的演进过程。     

阀门过流特性对水击影响的分析

引入了阀门“几何开度”和“水力开度”的概念，在此基础上讨论了不同阀门的过流特性。结合实例，分析了在三机式抽水蓄能电站水轮机丢弃负荷和水泵断电这两种事故工况下，不同阀门的过流特性对水击过程的影响。     

曲线坐标网格下二维涌波数值模拟的TVD型格式

针对水动力学中的涌波现象导出二维曲线坐标系下的守恒型方程，然后利用算子分裂法和TVD差分格式思想构造出计算格式，在此基础上建立起由实际流场区域至方形计算区域的全局同胚映射，对急流过缩窄河道产生的涌波结构进行数值模拟，结果表明，本文的数值方法能够很好地模拟附体涌波、交叉涌波等复杂结构现象，所得波系结构和有关物理量与理论分析结果非常吻合，表明本文的数值方法对于模拟水动力学中的涌波现象是可行的。     

水击的数值模拟方法比较

选用计算流体力学中几种具有代表性的数值方法进行水击的分析计算,包括Lax-Friedrichs格式、Mac-Cormark格式,以及近年来广泛用于空气动力学和溃坝水力学中的TVD格式,并将计算结果与解析解进行比较,结果表明:Lax-Friedrichs格式在间断处有较大的耗散;而MacCormark格式则出现了明显的数值振荡;TVD格式具有耗散性低,且不产生虚假数值振荡的优点.     

下游为干河床的溃坝水流数值模拟

应用二阶TVD—MacCormack格式计算了含间断波的二维浅水流动．模拟算例为下游是干河床、瞬间部分坝体溃决形成的溃坝水流运动．针对该格式，采用恰当的限制器使得解既不产生过大耗散，又具有高分辨率．     

浅水问题的格式构造与数值模拟

在很多实际问题中,经常可以遇到线水问题:诸如海水潮流,湖水环流问题。在实际预测水污染的浓度分布问题中,首先求解速度场具有重要的意义。为了给出较完整的浅水问题的求解方法,在方程中计及了湍流粘性,文献[1]在每步计算结果中均进行了数值光滑,这虽然增加了数值计算的稳定性,可同时也能将真实的、物理上的数值波动滤掉,因此,数值光滑方法并不值得推广。由于波面方程对于边界处理方式的敏感性,     

泄洪洞工作闸门开启时水击数值模拟研究

泄洪洞工作闸门运行过程中有可能产生水击,目前没有受到重视。应用特征线法数值模拟青海省某水电站泄洪洞工作闸门开启时闸前水击的变化过程,结果表明:(1)工作闸门匀速开启的方式可导致泄洪洞内产生水击,水击产生于闸门开启的初始阶段,水击压强振幅呈对数规律衰减;(2)工作闸门非匀速开启方式对泄洪洞非恒定流有重要影响,闸门开启速度先慢后快的运行方式可有效减小水击压强振幅,降低闸门振动的可能性,工作闸门以适当的加速度开启时可消除水击现象,彻底避免水击引起的闸门振动,排除这种泄洪安全隐患。     

基于加权本质无振荡格式的二维溃坝水流数值模拟

将加权本质无振荡WENO(Weighted essentially nonoscillatory)格式和Runge-Kutta时间离散的思想应用于二维浅水控制方程的求解中,建立了模拟大坝瞬间全溃或局部溃倒所致的洪水演进过程的数学模型。应用该模型对一维矩形明渠中大坝瞬间全溃所致的水流运动进行了数值计算,并与理论解进行了比较,证实了方法的可靠性。最后用该模型预测了矩形河道中大坝瞬间局部溃倒时的洪水演进过程,模拟结果与实际相符。算例表明采用WENO格式所建立的高分辨率溃坝模型能够很好地模拟溃坝波的演进过程。     

高水头船闸阀门段体型优化三维数值模拟

采用动网格技术和VOF方法对阀门开启过程进行非恒定流三维紊流数值模拟,分析阀门段水流急变分离的流态、流速、压力等水力特性参数的时空演化规律,分析出现空蚀危险的区域和时刻。针对阀门后突扩体顶板和升坎凸弧处出现的较低负压问题,提出8种体型方案,并分析体型参数对流速、流态、压强分布的影响,遴选出最佳体型。分析结果表明,方案3的顶板压强最大,方案8的升坎凸弧处压强最大。     

水击压力对泄洪输水隧洞结构配筋的影响

水工隧洞设计时,通常将水流势能作为计算依据,常常忽略了水流动能在闸门关闭时形成的水击压力对隧洞结构配筋的影响。以某水库正常蓄水位工况下泄洪为例,计算不同闸门关闭时间产生的水击压力,从而分析得出水击压力对泄洪输水隧洞配筋影响。     

用一种新TVD有限体积格式模拟间断行进滚波的演化

基于圣维南方程组,该文开发了一种新TVD有限体积数值格式,对自由面微小干扰演化成行进滚波的完整过程进行了模拟。该格式采用有限体积法来构建离散化方程,改进后的显式Lax-Wendroff格式来求解黎曼问题,通量限制函数来避免非物理振荡。结果表明,模拟所得的瞬态波幅变化率与线性理论精确解基本吻合,模拟所得的完全发育后准恒定行进滚波也能很好地吻合精确解,证明了该数值格式模拟行进滚波的高分辨率性质。滚波数值解对控制单元尺寸比较敏感,但对库朗数敏感度较低。     

基于高精度WENO格式的二维溃坝波数值模拟

以浅水波方程组建立二维溃坝洪水模型,对经典WENO格式计算模板重新选取,得到各计算模板上重构多项式,对各个模板的局部光滑因子进行组合得到更高阶的全局光滑因子,建立相应的非线性权,将各模板上重构多项式加权处理得到计算单元界面数值通量的一个新高精度WENO格式,泰勒级数展开证明了该格式的非线性权比经典WENO格式的非线性权更接近理想权。将该格式、Lax-Friedrich通量分裂方法和局部特征分解方法相结合用于二维浅水方程的离散求解,模拟二维局部溃坝流和圆形溃坝流洪水的演进过程,模拟结果与实际流动符合较好,表明采用高精度WENO格式所建立的高分辨率溃坝模型能很好地模拟溃坝波的演进过程。     

锦屏二级水电站筒阀动水关闭试验及仿真分析

为检测筒阀在长距离输水电站中的实际运行情况,借助现场试验手段,对锦屏二级水电站机组带部分负荷时筒阀动水关闭过程中机组状态量的变化情况进行了检测。对试验数据进行了整理分析,并利用数值仿真手段对筒阀动水关闭过程进行了仿真模拟。现场试验与数字模拟对比结果显示,二者吻合度较高,验证了数值仿真计算的准确性。在此基础上,利用数值仿真手段对筒阀关闭极端工况进行了预测,预测结果显示,机组带100%负荷,筒阀动水关闭时蜗壳进口压力未超出设计值。研究方法和手段可为电站机电设备的安全运行提供依据。     

银盘船闸阀门段体型优化三维数值模拟研究

乌江银盘船闸为目前国内已建和在建船闸中水头最高的单级船闸.通过对设计方案的初步计算成果和物理模型试验资料分析,在设计水头下其泄水阀门段存在较大的负压,尤其是在突扩体升坎处压力甚低,有可能造成边壁的空蚀破坏,成为亟需解决的关键问题之一.采用数学模型计算的方法,对泄水阀门段体型进行了一系列的比较优化,最终确定了推荐方案,并对经物理模型试验验证的数据进行了对比,两者吻合较好.     

基于WENO格式的天然河道丁坝群二维水流数值模拟

本文应用高精度WENO(Weighted Essentially Non-oscillatory Schemes)格式结合有限体积法建立了河道丁坝群二维水流的数学模型。采用此模型对实际天然河道丁坝群水流水力特性进行了数值模拟,得到了流速场的分布,并与物理模型试验结果进行比较,表明这类格式精度高,稳定性能好,能够有效地计算复杂边界天然河道丁坝群二维水流水力特性问题。