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基于有限体积法的二维水流水质模拟

陈丕翔  
【摘要】: 近几十年来,我国经济迅速发展,人口急剧增长,工业化、城市化进程加速,同时大量工业废水、生活污水进入江河、湖泊或近海,造成了严重的水体污染,使我国本来就短缺的水资源日趋短缺,威胁人类的生存和经济社会的可持续发展。因此保护、改善水环境成为一项紧迫而又艰巨的任务。研究水流水质的数值模拟技术,可以模拟水流运动及污染物的输移扩散,为水环境的保护和改善提供技术支持,因而具有十分重要的理论意义和实用价值。 基于间断思想的非结构网格有限体积法因守恒性好,自动逆风,具备处理间断问题及复杂几何边界的能力,在浅水水流的数值模拟中取得了巨大的成功,目前正逐渐应用到水质和泥沙的模拟中。本文对基于有限体积法的二维水流水质数值模拟技术进行研究。首先介绍二维水流水质方程的离散方法,接着对求解的关键技术如控制体界面数值通量的计算、不规则地形的处理、开边界及陆地边界的处理、动边界及扩散项的处理等进行了详细论述。采用“斜底”模型处理不规则的水下地形,对计算控制通界面平均通量的中点公式和高斯三点公式进行了数值验证,提出用高斯两点公式计算控制通界面平均通量,提出了一种新的适合于有限体积法的动边界处理技术。接着,对数值模拟软件的集成和实现技术进行研究,提出采用基于组件的软件架构来实现数值模拟软件,用面向对象的思想来开发核心计算组件,用Map WinGIs组件为平台进行计算结果的可视化。最后,用实验数据对开发的模型进行验证,并将其应用到广东台山核电站温排水模拟研究中。模型的验证和应用表明:模型具备了对复杂地形、复杂边界的水流、水质进行模拟的能力,具有良好的应用前景。


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