非恒定管网的水力数值模拟及其可视化研究

摘要

管网作为水资源运输的重要载体对于在当今社会的发展扮演着十分重要的角色，准确的模拟管网中的水力要素对管网的合理规划和准确设计有着非常重要的意义。 首先，本文针对非恒定管网水流可能同时存在一维明渠流和有压管流两种状态，难于区分求解的问题，根据刚性管可压缩流假设和有压管流压力波的定义，对有压管流的连续方程进行变形，使两组状态的控制方程在形式上具有一致性。建立统一的一维非恒定管网水流模型，便于数值求解。 其次，通过对现有的一维非恒定流数值求解方法比较，并且针对管网系统本身结构的特点，采取交错网格半隐式有限差分法对管网进行离散求解。把流量变量和管段形状定义在单元中心，水头或水位变量定义在单元结点；求解采用半隐式的方法，增加了格式的稳定性；模型运动方程的对流项采用迎风处理，可适应复杂的水流变化；迭代求解方程的系数矩阵采用一维紧密式存储，可以节省存储空间，提高计算效率，适应大型的模拟计算。 然后，通过管道水击、有压管网恒定流、明满流交替等算例对模型进行了验证，并将模型成功应用到断面形状和连接关系更加复杂的珠江河网的模拟当中，验证和模拟的结果说明本模型的具有良好的稳定性和较高的计算效率。 最后，本文针对管网的水力计算开发了基于OpenGL的流体力学可视化软件，通过对直管的各个面进行线性近似，划分三角形网格，建立直管模型，模型颜色按等值线划分区域进行填充。对直管进行装配，建立了三维空间管网动画模型。并且利用计算机图形学技术，实现了模型缩放、平移、自由旋转等动态显示功能。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究目的及意义

1.1.1 管网非恒定流数值模拟的研究意义

1.1.2流体力学可视化的研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1管网模型研究概况

1.2.2一维非恒定流模型的研究现状

1.2.3流体力学可视化的研究现状

1.3本文研究内容

2管网非恒定流的模型的建立

2.1一维明渠非恒定流

2.1.1 明渠水流的连续方程

2.1.2明渠水流的运动方程

2.2有压管路非恒定流动

2.2.1水击的连续方程

2.2.2水击的运动方程

2.3 明满流方程形式的统一

2.4本章小结

3.模型的离散

3.1数值求解方法概述

3.1.1 特征线法

3.1.2有限差分法

3.1.3有限单元法

3.1.4有限体积法

3.2管网模型的离散

3.3边界条件处理

3.4汊点处理

3.5本章小结

4.模型的验证

4.1有压管道水击计算验证

4.2有压管网恒定流计算验证

4.3 明满过渡流计算验证

4.4明渠非恒定河网计算验证

4.4本章小结

5.三维管网可视化编程

5.1 OpenGL介绍

5.1.1 OpenGL发展历史

5.1.2 OpenGL的功能及特点

5.2管网模型的建立

5.2.1直管模型的建立

5.2.2云图的绘制

5.2.3管网模型的装配

5.3动态显示的实现

5.3.1 OpenGL模型显示过程

5.3.2模型三维动态显示

5.4本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢