Roe-Upwind有限体积模型及对涌潮形成动力机制的数值研究

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本文建立了求解二维浅水波方程的无结构网格Roe-Upwind格式的有限体积模型,并成功应用于复杂地形下间断流和涌潮的数值模拟。 本文模型从守恒形式的浅水波方程出发,采用无结构网格对求解区域进行单元剖分,可以更加精确地拟合弯曲多变的岸界、群岛等复杂几何结构,将每个单一的三角网格单元作为控制元,并在控制元上对方程进行积分,守恒变量的平均值配置在控制元中心,从而在每个控制元交接面处构成Riemann问题,使模型具有间断解的特征,并进而用间断解的思想实现方程的离散和数值计算。 在模型的空间离散过程中,跨控制元边界的数值通量采用Roe的Riemann解算子逼近形式,将复杂的非线性方程转化为线性方程;边界处物理变量的重构采用二阶Upwind型格式,从而形成Roe-Upwind格式的有限体积模型。方程中通量梯度项与源项的平衡,使模型可以适合复杂地形下浅水流问题和间断问题的求解,并最终建立了和谐的Roe-Upwind格式的有限体积模型。 将本文建立的无结构网格Roe-Upwind格式的有限体积模型对间断水流中一些经典的或有解析解的算例,比如Stoker问题、二维局部溃坝问题、倾斜水跃问题、滑坡涌浪问题以及混合流问题等,进行数值模拟。所有计算结果符合物理意义,与解析解吻合较好,在间断附近陡峭,不含非物理的伪振荡,验证了本文模型的正确性与适用性。 将本文建立的模型成功应用于涌潮的数值模拟中。首先,构建概化的喇叭形河口模型,通过数值计算,分别分析外海潮汐的强度、河道水深、河口放宽率以及河床溯源抬升等因素对涌潮发生的影响,并从大量的数值计算结果中总结各因素对涌潮的影响规律;其次,将本文模型应用于我国钱塘江河口涌潮的数值模拟,模型较好地模拟了钱塘江涌潮产生、形成和传播的过程,能复演一线潮等涌潮潮景,计算结果与实测结果吻合较好。 所有研究成果表明,本文模型具有效率高,精度高,稳定性好的优点,具有广泛的应用前景。
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