基于精确Riemann求解器的明满流过渡过程模拟

Preissmann窄缝法模拟明满流过渡过程方法简单,但存在明显的非物理振荡,抑制非物理振荡是该方法应用的关键。基于Godunov格式和精确Riemann求解器对明满流过渡过程进行模拟,针对Riemann问题代数恒等式在明满流交界处不光滑问题,提出了三阶收敛方法与二分法结合的迭代求解方法,保证迭代收敛至真实解;针对由于变量空间重构方法不能准确表达变量在空间中真实物理状态而导致的非物理振荡,提出了基于精确Riemann解的变量空间重构方法,准确表达激波间断在单元内的空间分布状态,从机理上抑制了非物理振荡。实例研究表明,数值计算结果与解析解或实测值吻合良好,研究成果为明满流过渡过程的高精度数值模拟提供了新的方法。

基于Godunov格式的排水管网水流数值模拟

为克服基于“LINK-NODE”计算模式的排水管网模型不能细致模拟管道内部水流运动过程的缺陷,采用Preissmann窄缝理论开发完成了一套新的基于Godunov有限体积格式的一维排水管网水动力模型。模型采用HLL近似Riemann解计算单元界面处的数值通量,细致区分了管网节点水位对与其相连接管道的不同影响,并采用严格的质量守恒方程和特征线理论来更新管网节点水位。通过3个经典算例验证了模型能够很好地模拟有压瞬变流和瞬变混合流等复杂管网流态,具有良好的精度和稳定性。将模型应用于陕西省西咸新区天福和园小区实测场次降雨排水过程模拟,取得了理想的计算结果。新研发模型可提供所有计算单元中心和管网节点处的水力要素变化过程,为精细化城市洪涝过程模拟奠定基础。

明满流过渡及跨临界流一维数值模拟

介绍了跨临界流及明满流在国外的研究进展,采用普雷斯曼格式辅以删减对流加速度项法和Preissmann狭缝法建立了一套能够处理缓流、急流、跨临界流和明满流的数学模型。为了验证所建模型的可行性,计算了多个具有解析解或试验结果的算例,结果表明吻合程度良好。

城市排水管网明满过渡流模型的研究及应用

通过引入Preissmann窄缝假定,采用统一的控制方程组模拟排水管网无压和有压流,实现了排水管网内明满过渡流的同时模拟。利用Preissmann四点加权隐格式对所建方程组进行离散,并采用"管道—汊点—管道"的三级联解法对其进行求解。通过对环状管网明满过渡流和长沙雅华小区的雨水管网进行模拟计算,应用文献资料或实测资料进行验证分析,可以看出模拟结果和文献的计算值及实测值吻合较好,表明所建模型可以简洁有效地对排水管网明满过渡流进行模拟,为排水管网的设计和管理提供了一定的理论支持,具有实际应用价值。

输配水系统明满瞬变流全窄缝数值模型

发生在输配水系统中的明满流交替过程是引起系统破坏的主要原因之一。准确模拟发生在输配水系统中的混合明满流瞬变过程,是亟须解决的技术难题之一。然而,常用的Preissmann窄缝法无法模拟含负压流的瞬变过程,很大程度上限制了该数值模型的适用范围。本文耦合二分压力法及Preissmann负窄缝思想,建立了一套可模拟求解非恒定明流、含负压的有压瞬变流及含负压的明满交替混合流数值模型,并基于CFL约束条件提出了对负压流与明流的判别方式。通过明渠充水、有压管道水锤及充水过程中关阀形成的明满流交替及水锤同时作用的复杂算例表明:本文所建模型突破了传统Preissmann窄缝法不能模拟负压的局限及二分压力法判别明流及满管负压流的困难,实现了对不考虑气液两相相互作用下的明满交替瞬变流的准确模拟。

排水管道瞬变流的SWMM模拟能力研究

暴雨洪水管理模型(SWMM)在城市雨洪管理中发挥了重要作用,但对其模拟排水管道瞬变流的能力研究较少。针对排水管道中有压水力瞬变情况,以经典特征线法为参照,对SWMM的模拟能力进行了分析及改进。计算结果发现,原SWMM模型对排水管道快速有压瞬变流的模拟能力较差。为此,提出了“设置虚拟节点、修改Preissmann狭缝宽度”的改进方法,可有效提高SWMM模拟瞬变流的计算精度;同时,进一步分析了空间步长、波速、管段管径比、CFL稳定性条件、收敛精度及节点最小表面积等关键参数对模拟准确度、稳定性、计算效率的影响,并给出了建议取值范围。

城市排水管网明满交替非恒定流数学模型的研究

该文针对城市排水管网系统存在的明满流共存的计算难点,从一维水流的圣维南方程组的物理意义入手,推导了适用于有压管流的方程组表达形式,提出了当量宽度的概念和计算方法,修正了Preissmann窄缝假定方法中的窄缝宽度公式,将明渠和有压管道两种情况下的方程组写成统一的形式,实现了对明满过渡流的有效数值模拟。通过数学模拟,与经验数据和SWMM模型的对比验证,揭示了当量宽度法的合理性、可行性及其实际应用价值。