贴体坐标转换在河冰模拟中的应用研究

摘要

网格生成是建立流场数值模型重要的前处理过程,是影响CFD计算的关键因素之一.由于贴体坐标转换技术能够快速地生成高质量的网格,所以将其应用于河冰模拟.该研究对于河冰数值模拟具有重要的现实意义. 本论文分析、总结了一些常见的网格生成技术的优劣,并在此基础上,采用求解椭圆型偏微分方程的方法实现贴体坐标转换,生成新的网格系统.在论文中详细地论述了二维椭圆型偏微分方程网格生成法的坐标变换和反变换关系,将几种常见的椭圆型偏微分方程网格生成方法应用于实验室弯道水体的实例,对所得结果作比较,获得了两种较为优越的方法,并应用于黄河河曲段河道流场的网格划分.在论文中建立了ζ-η-ζ坐标系和ζ-η-σ坐标系,用于三维水体的网格划分.针对天然河道冰情复杂多变的特点,文中采用了在水平方向作ζ-η贴体坐标变换,在垂向作σ变换的方法生成三维贴体网格,并将其应用于实验室水槽和天然河道的网格划分. 同时,本文还介绍了借鉴泥沙输移理论所建立的ζ-η-σ坐标系下的冰塞数值计算模型,该模型是对河冰数值模拟的有益探索.

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第一章 绪论

1.1河冰数值模拟技术发展概述

1.2网格生成技术在流场数值模拟中的重要地位

1.3网格的分类

1.4网格生成技术概况

1.5研究课题的来源、目的及意义

第二章常见的网格生成方法

2.1由阶梯型边界逼近真实边界的方法

2.2采用特殊的正交曲线坐标系的方法

2.3贴体坐标系

2.3.1代数法

2.3.2保角变换法

2.3.3生成贴体网格的偏微分方程方法

2.4块结构化网格

2.5非结构化网格

第三章椭圆型偏微分方程网格生成技术

3.1椭圆型偏微分方程网格生成法

3.2坐标变换与反变换

3.3网格的实现

3.3.1边界值及初始值的输入

3.3.2方程的离散

3.3.3收敛条件

3.3.4生成网格图像

3.3.5结构性网格质量的检测评估

3.4源项的处理

3.4.1常见的控制函数

3.4.2控制函数效果比较

3.5二维网格生成程序及应用

第四章三维贴体网格生成技术及应用

4.1 ξ-η-ζ坐标系网格生成方法

4.2源项P,Q,R的确定

4.3冰塞模拟中的ξ-η-σ坐标系

4.4 ξ-η-σ坐标系下河冰数值计算模型

4.4.1三维河冰数值模拟计算的控制方程

4.4.2ξ-η-σ坐标系下河冰数值计算方程

4.4.3初始及边界条件

4.4.4冰塞数值模型的计算步骤

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文