基于离散元方法与水动力学耦合的河冰动力学模型
发布时间：2021-12-18 15:00
流凌和冰坝是我国北方冬季比较常见的河冰现象,尤其冰坝,可导致严重的凌洪灾害,是河冰研究中的重要部分。本文将离散单元方法与二维水动力学相耦合,建立河冰的动力学数值模型,以模拟河冰输移、聚集、堆积,以及冰坝形成的动力过程。针对河道中大量密集且几何形状随机的流冰现象,采用扩展多面体单元对冰块进行构造,并通过离散元接触模型表征河冰输移和冰坝形成过程中冰块间的相互作用。河流水动力部分则采用考虑河冰影响的二维非定常浅水方程进行描述,并采用有限元方法进行数值计算。冰水耦合中的计算参数由河冰离散单元与其所在水动力学有限元网格节点的位置插值计算得到。通过对冰盖封河造成水位抬高过程的数值模拟,并将计算结果与理论分析结果以及DynaRICE河冰模型的模拟结果进行对比,以验证模型的有效性。在此基础上,对规则河道中河冰输移、堆积和形成冰坝的过程进行数值模拟和结果分析。通过以上河冰离散元与水动力学的耦合方法及其对河冰动力过程的数值模拟,对河冰动力过程从细观角度进行新的认识并为河冰动力过程研究提供一种有效的数值方法。
【文章来源】：水利学报. 2020,51(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
河冰动力过程的受力分析
式中：A、B为两个单元的空间体；x、y分别为基础多面体A和扩展球体B内的坐标矢量[39-40]，即按照Minkowski Sum理论求和后，会得到具有光滑表面的扩展多面体，如图2所示。接触搜索判断也由角点与棱边的搜索判断转化为球面与柱面的搜索判断，由此有效提高计算效率。在离散元求解过程中需要确定每个时间步接触单元间的接触点以及单元重叠量。单元的接触判断是基于包络函数的优化求解方法，引入二阶多面体扩展函数g，其定义的几何形态与扩展多面体具有很高的相似性，可写作：
(1）水与冰间的计算参数交换。河冰的离散元计算是在拉格朗日坐标下进行的，水动力的有限元法计算则是基于欧拉坐标系。河冰的厚度、速度等信息与水动力学信息之间的传递是通过对离散单元与有限元网格节点相对位置进行插值计算得到。假设P为某一离散单元的质心，其所在的三角形网格的三节点分别为A、B、C，河冰计算所需要的流速、水深等水力信息由所在网格节点的信息加权求得，如图3所示，fP=?Φifi，其中Φi=SiStotal(i=a,b,c),Si是第i个三角形的面积，Stotal是整个三角形单元的总面积，fP可以为流速、水面高度、水深等水力变量。然而，河流水力计算所需要的河冰信息则由该有限单元网格内的所有离散元颗粒信息的平均值求得，均值结果作为该有限单元网格内的值，即，其中，下标E是该三角形单元编号，i表示三角单元中的离散单元编号，NP是三角单元中的离散颗粒数总和，f表示河冰离散元颗粒的速度、剖面厚度等参数。网格节点的值通过其所在所有单元网格的值进行平均求得，如图3中节点A的参数
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于扩展多面体包络函数的快速接触搜索算法[J]. 刘璐,季顺迎. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(06)
[2]河冰单轴压缩破坏过程细观数值仿真[J]. 邓宇,王娟,李志军. 水利学报. 2018(11)
[3]河冰三轴压缩强度特性及破坏准则试验研究[J]. 韩红卫,解飞,汪恩良,张栋. 水利学报. 2018(10)
[4]河渠冰水力学、冰情观测与预报研究进展[J]. 杨开林. 水利学报. 2018(01)
[5]黄河什四份子弯道河冰生消及冰塞形成过程分析[J]. 赵水霞,李畅游,李超,史小红,赵胜男. 水利学报. 2017(03)
[6]封冻期冰塞堆积演变的试验研究[J]. 王军,章宝平,陈胖胖,刘涛. 水利学报. 2016(05)
[7]长距离明渠系统反向输水冰情模拟[J]. 郭新蕾,杨开林,杨淑慧,付辉. 水利学报. 2015(07)
[8]凌汛期槽蓄水增量过程模拟[J]. 张防修,席广永,张晓丽,王国庆,黄瑞. 水科学进展. 2015(02)
[9]明渠冰盖下流动的综合糙率[J]. 杨开林. 水利学报. 2014(11)
[10]冰情模型中不确定参数的影响特性分析[J]. 郭新蕾,杨开林,付辉,王涛. 水利学报. 2013(08)
本文编号：3542636
【文章来源】：水利学报. 2020,51(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
河冰动力过程的受力分析
式中：A、B为两个单元的空间体；x、y分别为基础多面体A和扩展球体B内的坐标矢量[39-40]，即按照Minkowski Sum理论求和后，会得到具有光滑表面的扩展多面体，如图2所示。接触搜索判断也由角点与棱边的搜索判断转化为球面与柱面的搜索判断，由此有效提高计算效率。在离散元求解过程中需要确定每个时间步接触单元间的接触点以及单元重叠量。单元的接触判断是基于包络函数的优化求解方法，引入二阶多面体扩展函数g，其定义的几何形态与扩展多面体具有很高的相似性，可写作：
(1）水与冰间的计算参数交换。河冰的离散元计算是在拉格朗日坐标下进行的，水动力的有限元法计算则是基于欧拉坐标系。河冰的厚度、速度等信息与水动力学信息之间的传递是通过对离散单元与有限元网格节点相对位置进行插值计算得到。假设P为某一离散单元的质心，其所在的三角形网格的三节点分别为A、B、C，河冰计算所需要的流速、水深等水力信息由所在网格节点的信息加权求得，如图3所示，fP=?Φifi，其中Φi=SiStotal(i=a,b,c),Si是第i个三角形的面积，Stotal是整个三角形单元的总面积，fP可以为流速、水面高度、水深等水力变量。然而，河流水力计算所需要的河冰信息则由该有限单元网格内的所有离散元颗粒信息的平均值求得，均值结果作为该有限单元网格内的值，即，其中，下标E是该三角形单元编号，i表示三角单元中的离散单元编号，NP是三角单元中的离散颗粒数总和，f表示河冰离散元颗粒的速度、剖面厚度等参数。网格节点的值通过其所在所有单元网格的值进行平均求得，如图3中节点A的参数
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于扩展多面体包络函数的快速接触搜索算法[J]. 刘璐,季顺迎. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(06)
[2]河冰单轴压缩破坏过程细观数值仿真[J]. 邓宇,王娟,李志军. 水利学报. 2018(11)
[3]河冰三轴压缩强度特性及破坏准则试验研究[J]. 韩红卫,解飞,汪恩良,张栋. 水利学报. 2018(10)
[4]河渠冰水力学、冰情观测与预报研究进展[J]. 杨开林. 水利学报. 2018(01)
[5]黄河什四份子弯道河冰生消及冰塞形成过程分析[J]. 赵水霞,李畅游,李超,史小红,赵胜男. 水利学报. 2017(03)
[6]封冻期冰塞堆积演变的试验研究[J]. 王军,章宝平,陈胖胖,刘涛. 水利学报. 2016(05)
[7]长距离明渠系统反向输水冰情模拟[J]. 郭新蕾,杨开林,杨淑慧,付辉. 水利学报. 2015(07)
[8]凌汛期槽蓄水增量过程模拟[J]. 张防修,席广永,张晓丽,王国庆,黄瑞. 水科学进展. 2015(02)
[9]明渠冰盖下流动的综合糙率[J]. 杨开林. 水利学报. 2014(11)
[10]冰情模型中不确定参数的影响特性分析[J]. 郭新蕾,杨开林,付辉,王涛. 水利学报. 2013(08)
本文编号：3542636
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/shuiwenshuili/3542636.html
