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《大连理工大学》 2018年
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水动力数值模拟系统(Hydroinfo)开发及应用研究

张南  
【摘要】:在研究自然界水流运动规律以及海洋、河流开发利用的相关问题时,数值模拟计算具有费用低廉、周期短、效率高以及计算参数方便修改设定等优点,在工程实际中应用越来越广泛。建模、数值计算方法以及流场分析是数学模型方法进行水动力研究的重要手段。本文对水动力数值模拟过程中所涉及的建模方法、数值模拟方法、流场可视化等问题进行了详细的剖析,提出并实现了全面的水动力数值模拟解决方案,弥补了国内的水动力数值模拟系统集成性差,界面不够友好,可视化程度不高等方面的不足。本文的主要研究成果概况如下:(1)实现了高效、可靠的水动力数值模拟自动化建模算法。通过DXF文件作为媒介与AutoCAD进行数据交换,用以读取计算域数据。河网流域类模型采用间隔函数法进行网格划分,使网格划分相对均匀,设计了智能化的剖面插值算法方便剖面数据准确输入。平面二维、自由表面三维等类型模型采用Bowyer-Watson逐点插入算法的Delaunay网格划分方法进行平面网格划分,使网格划分具有更强的灵活性。利用Google earth二次开发技术下载地形数据,作为获取地形的辅助手段。采用克里金插值方法进行基础数据插值,能够在实际的应用中,保持对起伏地形插值的稳定。(2)阐述了封装在Hydroinfo中的水动力数值模型,包括流域河网模型、平面二维、自由水面三维以及多维耦合模型。表明Hydroinfo能够根据实际需求处理河流、海洋等水流及输运量数值模拟相关的问题。(3)基于WPF技术,构建了三维流场可视化平台。从绘制三维图形的基本步骤出发,在实现了三维边界、三维地形、三维网格等基本三维图形的展示的基础上,实现了欧拉描述的三维表面流场、多剖面流场、水位等标量场以及三维动画模拟。表面流场展示能够追踪自由水面,更加直观形象的展示水位的变化,交互式的流场疏密算法,使得流场的疏密控制更加灵活。置于原计算域的多剖面流场展示,有效的体现流场的垂向特性。通过高效的粒子追踪算法,以示踪球以及标识点迹线的方式表现粒子的运动轨迹,获得拉格朗日流场,并伴有高效的动画模拟。(4)提出了耦合水动力数值模拟功能的WEBGIS平台。进行了基于Web进行大型的水动力数值模拟计算的尝试,为普通计算机用户进行数值模拟研究提供了渠道。水动力模型封装在可执行文件中待调用。地图服务基于Silverlight技术从底层开发,不借助其他二次开发接口。在构建基本矢量地图图层的基础上,开发了一维动态粒子追踪算法以及二维流场显示算法,实现了异步刷新的高效流场动画模拟,同时解决了动画闪屏问题。(5)详细的讨论了水动力一体化解决方案(Hydroinfo)的开发过程。在系统需求分析的基础上,对系统的功能体系以及流程进行设计,提出了系统的框架。详细的阐述了数据库的设计过程,各个数据表的设计以及表之间的关联设计,以及各个功能模块的设计及开发实现。提出计算过程可视方法,在常规仅有计算进度提示的基础上,扩展到整个流场的可视化。图形用户界面借鉴典型的Windows风格进行设计,布局简单清晰、明了,形成了友好的界面风格。(6)以珠江河网水流模拟、瓯江河口潮流场模拟以及渤海海冰生消模拟为例,论证了 Hydroinfo软件体系在解决工程应用问题的有效性以及实用性。研究表明,Hydroinfo能够全面的覆盖水流的数值模拟过程中涉及的各个环节,显示了 Hydroinfo是集建模、计算、后处理有机的整体。系统集成了流域河网与管网、二维水流泥沙波浪问题、三维自由水面流动、耦合问题、流动与输运问题等数值模型。根据用户选择引导到不同的建模模块、计算模块以及分析模块。交互性较好的向导式建模界面,使得建模过程简单高效。由于计算过程可视,使得整个计算过程可控。用户能够随时分析流场,而不用等到计算结束,以便及时的调整计算参数,提高了工作效率。后处理不仅实现了一维标量场、二维矢量场和标量场的可视化而且实现了三维流场的可视化。由于集成的模型类型多样,Hydroinfo的适用范围比较广,不受空间尺度的限制。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TV131.2

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【参考文献】
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