近海及河流環境水動力數值模擬方法與應用 [Coastal and River Environment Hydrodynamic Numerical Simulation Methods and App 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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內容簡介

　　《近海及河流環境水動力數值模擬方法與應用》介紹瞭近海及河流一維、二維和三維水動力與水質數學模型的基本原理、數值方法和工程應用實例，同時關注水生植被對渠道水流、近海波 浪的影響。主要內容包括：近海、河流水動力及水質方程的離散和計算方法；河網、河流、水庫的水動力及水質數值模擬；潰壩波引起的洪水人侵和泥沙衝齡模型的構建與應用；河口海域平麵二維隱格式、顯格式潮流、波浪聯閤作用數值模式的建立與預報；波浪在植物場傳播和變形的數值計算。

目錄

前言
第1章 緒論
1.1 河流、水庫及近海水體的現狀
1.2 河流、水庫及近海水體擬解決的工程問題及數值模擬任務
1.3 自然水體的數值模擬方法
1.3.1 有限差分法
1.3.2 有限體積法
1.3.3 有限元法
1.3.4 有限分析法
1.3.5 邊界元法

第2章 復雜河網水體水動力及水環境數值模擬
2.1 維復雜河網數學模型
2.1.1 維復雜河網水動力及水質基本方程
2.1.2 維河網的計算方法
2.1.3 河網水動力基本方程離散
2.1.4 環狀河網水流計算
2.1.5 河網水質方程的離散和求解
2.2 水質模型
2.2.1 溫度模型
2.2.2 的水質模型
2.2.3 水質模型參數的確定
2.3 復雜河網水係水動力、水質數值模擬
2.3.1 渭河河道洪水演進
2.3.2 復雜渠網恒定流
2.3.3 復雜渠網非恒定流
2.3.4 感潮河網非恒定流
2.3.5 Spokane河河網非恒定流
2.3.6 Lower Columbia Slough 潮汐河網非恒定流
2.4 小結

第3章 河流、水庫水動力及水環境數值模擬
3.1 麯綫坐標變換
3.1.1 平麵二維麯綫坐標變換
3.1.2 三維麯綫坐標變換
3.2 河流、水庫水體平麵二維數值模擬
3.2.1 基本控製方程
3.2.2 方程的離散
3.2.3 邊界條件
3.2.4 計算步驟
3.2.5 平麵二維數值模擬
3.3 河流、水庫水體三維數值模擬
3.3.1 基本方程
3.3.2 方程的離散
3.3.3 自由水麵的計算方法
3.3.4 邊界條件及模型求解過程
3.3.5 三維數值模擬
3.4 植被作用下渠道水流數值模擬
3.4.1 植被對水流的作用力
3.4.2 植物作用下的通用方程
3.4.3 植被水流的數值模擬
3.5 小結
參考文獻

第4章 潰壩波水流及泥沙的數值模擬
4.1 一維潰壩水流數值計算方法及應用
4.1.1 一維潰壩水流方程
4.1.2 數值離散
4.1.3 HLL格式的近似Riemann解
4.1.4 條件
4.1.5 潰壩模型應用
4.2 二維潰壩水流、泥沙數值計算方法
4.2.1 二維水動力和泥沙運動方程
4.2.2 模型計算網格
4.2.3 有限體積法離散方程
4.2.4 HLL格式的近似 Riemann 解
4.2.5 二維潰壩模型應用
4.3 植被作用下的潰壩水流、地形演變模擬
4.3.1 有植被影響下L形渠道潰壩水流模擬
4.3.2 植物影響下斷麵突擴水槽潰堤水流及床麵變形數值模擬
4.4 一維及二維潰壩水流耦閤模型
4.5 小結
參考文獻

第5章 近岸海域水動力和水環境數值計算方法及應用
5.1 隱格式潮流數學模型
5.1.1 平麵二維水流方程
5.1.2 數值離散
5.1.3 隱格式模型數值模擬
5.1.4 大型稀疏矩陣的內迭代求解方法
5.2 海灣油粒子數值計算方法
5.2.1 浮油的平流和湍流的作用
5.2.2 溢油數學模型應用
5.3 顯格式波流耦閤數值模擬
5.3.1 顯格式平麵二維潮流數學模型
5.3.2 波浪模型
5.3.3 耦閤模型數值模擬
5.4 小結
參考文獻

第6章 濕地植被影響下的波浪傳播與變形
6.1 水生植物作用下的一維波浪模型
6.1.1 方程
6.1.2 數值離散
6.1.3 HLL格式的近似 Riemann解
6.1.4 數值模型
6.2 水生植物作用下的垂嚮二維波浪模型
6.2.1 基本方程
6.2.2 波浪自由水麵的計算方法
6.2.3 數值離散
6.2.4 速度和壓力校正
6.2.5 邊界條件
6.2.6 數學模型應用
6.3 水生植物作用下的三維波浪模型
6.3.1 控製方程
6.3.2 數值方法
6.3.3 方程求解
6.3.4 邊界條件
6.3.5 數學模型應用
6.4 小結
參考文獻

精彩書摘

　　《近海及河流環境水動力數值模擬方法與應用》：
　　第1章 緒論
　　1.1 河流、水庫及近海水體的現狀
　　隨著經濟和社會的發展，工業化和城市現代化進程不斷加快，城市人口劇增， 産生瞭越來越多的廢水。大量有害的工農業廢水和生活汙水未經充分處理便直接 排入水庫、河流、湖泊和海洋，對排入水體的生態環境造成瞭嚴重的破壞。就河流 而言，其汙染情況十分嚴重。以長江為例，蓄水後長江水文、河道等情況發生變化， 庫區水環境保護也麵臨著新問題：稀釋和自淨能力下降、漂浮物增多以及消落帶等 生態環境問題突齣。尤其是三峽成庫後，庫區的支流受迴水頂托，河麵變寬，流速 變緩，汙染物堆積，形成滯水區域（長江水利委員會，1997）。這些區域在光照、溫 度、營養物等自然條件適宜的情況下，容易爆發，水華，現象（黃真理等，2004）。同樣，湖泊方麵也存在相同的問題。在自然界物質的正常循環中，湖泊由貧營養湖泊 發展為富營養湖泊，這一曆程需要很長時間，但是由於水體汙染而造成的富營養化 大大加快程。是湖泊多的，近來湖，水土流失，湖盆麵積速度加快。城市環境基礎設施滯後於發展，汙水與汙物大量地排放，氮、磷等營養物質大量而持續地進入湖泊暖流水體，將促進藻類和其他水生 植物的活性，刺激它們異常富集、繁殖，形成富營養化，會導緻水質惡化和生物群體 的破壞。我國的許多湖泊已接近富營養，有的甚至達到極富營養的程度，如太湖、 巢湖等水體。而海灣的水質汙染情況也不容樂觀，赤潮的頻繁齣現、魚病突發與人工養殖魚蝦大麵積毀滅性的死亡無不與海洋生態環境場的惡化有關。近海油氣的開發、港口建設以及大麵積灘塗圍墾等已對海灣生態環境構成嚴重的威脅。沿海 城市的工業廢水和生活汙水無度和無序的排放，河流排汙入海通量逐年增大，使其 海域的水環境惡化加速。同時海灣已被大量地開發利用進行海水養殖，如大量高 密度的底棲貝類養殖海域，大麵積貝類養殖對於無機氮營養鹽的消耗和補充有很 大的影響，如果沒有有效的汙染去除及管理方式，養殖水域中氮、磷等負載將相應 增大，超過海區的自淨能力，引起養殖水源水質下降，縮短養殖場和養殖區域的使 用年限，並導緻其沿海富營養化水域的範圍和富營養化程度呈擴大的趨勢。
　　為瞭防治近海、河流及湖泊水體的富營養化，不但要對這些水體的富營養化指 標進行實時監測、對營養狀態進行評價，而且還要及時、準確地瞭解近海、河流及湖 泊水體的水動力狀況和富營養化變化的趨勢，這就首先需要采用水動力模型對這 些水體的水文特徵進行評估。水動力的數值模擬是以流體力學的基本方程為基礎，建立相關的數學模型，通過數值離散，給定邊界條件和初始條件，對水體進行數 值分析，結閤汙染物擴散輸移的基本方程，研究水體水環境的變化趨勢（餘常昭等， 1989）。另外，由於河流、湖泊及河口汙染物排放種類的多樣性，其汙染物排放包含瞭多種物質，這些物質在水體中不僅降解，而且各物質之間還相互作用與轉化，簡單 的水質模型因為缺乏對水質變量之間轉化的考慮已不能滿足工程的實際需求，所以 建立考慮多個水質變量相互轉化的水質模型有著重要的現實意義（張明亮，2007）。
　　1.2河流、水庫及近海水體擬解決的工程問題及數值模擬任務
　　除瞭上述水體的水環境問題需要采用數學模型來解決之外，一些大型的水利 工程（建壩、河港建設、防洪工程等）和海洋工程（圍填海、港口工程、跨海大橋建設等）也需要使用數學模型來分析其工程建設對該水體的水動力影響（槐文信等，2005）。目前，河流、水庫及近海水體亟須解決的工作主要集中在以下幾個方麵：暴 雨引起江河水量迅猛增加及水位急劇上漲形成的洪水預報；洪水潰堤後洪泛區洪 水的動態運動過程；築壩後某種原因引起潰壩而産生的洪水演進預報）河道排汙口 汙水排放引起的汙染物擴散；湖泊水體的富營養化評估）水庫突發性汙染物擴散及 運動；航道改善方案的優化；入海汙染物通量對河口水質的影響；圍海造陸以及建 港對海域水體水質的影響；濕地植被對河道行洪及近岸海域波浪傳播的作用等。 解決這些問題目前主要采用現場測量、物理模型和數值模擬三種方法。物理模型 是將研究對象原型如波浪、水流、泥沙、結構等按一定的相似準則縮製而成供模型試驗研究的實體模型，但受場地、供水、測量和流動特性等條件限製，往往要采用平 麵比尺和垂直比尺不同的變態模型。雖然在一定條件下，變態模型仍具備足夠的相似性，但是物理模型的缺點也十分明顯，包括試驗條件要求苛刻，限製較多，模型修正睏難，前期投資較大，近年來其費用還有逐漸提高的趨勢。河流及河口的模擬是近年來人們認識和研究河流及河口的另一種重要方法，其主要思路是通過對水體流場的預報，以水動力場作為計算的平颱，進而預報水體的濃度場變化與泥沙運動等。傳統觀念中人們對數值模擬的認識不足，將其僅作為簡單的研究技術，復演 水動力現象，而並未將其作為一種研究方法。事實上，隨著數值模擬技術的不斷發 展和相關理論的成熟，數值模擬的作用日益凸顯，它不僅能夠復演自然界水體中水 動力和水環境的動態變化過程，還能夠發現一些未被探知的物理現象，對水體存在 的問題進行預報，具有一定的前瞻性。此外，數值模擬不需占用大片的模型試驗場 地，不需要考慮相似度的問題，演算速度快，周期短，方案修改便捷，且比物理模型 投入費用低，因而具有很強的推廣意義。物理模型和數值模擬各自具有特點，在具 體的使用中應該取長補短、相互補充，為海洋、河流等工程提供翔實、可靠的理論數 據和技術支撐。
　　1.3自然水體的數值模擬方法
　　在模擬技術的具體使用中，根據所研究問題的維數來劃分，可分為一維、二維 及三維數學模型。一維方程計算速度快、效率高，可快速方便地進行長河段、長時 期的洪水和河床演變預報，主要運用於河流和狹長的河口計算。二維方程分為垂 嚮二維和平麵二維方程。對於寬度沿程變化不是很明顯且狹長、較深的水庫，可以 應用垂嚮二維方程來研究各物理量沿水深方嚮變化的情況。但是對於計算區域較 大的寬淺型河流、湖泊或者河口水體，變量在垂直方嚮很快接近平均分布，因而采 用平麵二維水流控製方程可較好地反映它們的水動力運動特徵，在節省計算費用 的同時能夠更好地滿足工程精度要求。一般情況下，天然河流、水庫及海灣幾乎都 是不規則的，其水流大都處於復雜的三維湍流狀態並伴有二次副流發生。此外，在 水環境問題研究中，常會遇到水體分層現象，主要包括太陽輻射而形成的分層流 動、潮汐河口鹽水交匯處形成的鹽水分層流、大量泥沙或者汙染物排放産生的密度 分層等。采用三維的形式模擬水流、水環境的運動狀況，可以更加全麵真實地反映 水流的特性，能夠更好地適應水利及海洋工程的實際需要（季振剛， 2012）。
　　根據水體的運動情況，可以分為恒定流和非恒定流。在水流的數值計算中，采 用何種數值計算方法往往關係到數值模擬的精度和時間。在水流的數值模擬中， 常用的數值計算方法有：有限差分法（finite difference method）、有限體積法（finite volumemethod，FVM）、有限元法（finite element method）、有限分析法（finite analytic method）和邊界法（boundary element method，BEM）（陳永燦等，2012）。
　　1.3.1有限差分法
　　有限差分法是計算機數值模擬最早采用的方法，時至今日，仍被廣泛采用。該 方法將微分方程中的各個微分項離散成微/J、網格上各鄰近節點差商的形式，得到 一個以各節點上函數值為未知變量的代數方程（馮民權等，2012）。有限差分法又 可以分為顯式和隱式兩種方法。顯式格式應用較早，它的形式比較簡單，而且計算 效率也比較高，但其穩定性受到限製，為瞭保持穩定性必須遵守柯朗條件限製。隱 式格式是將網格節點上的不能由已知時間層上的物理量直接求齣的待求變量，與同一時間層相鄰節點的物理量聯立求解，而它們是未知的，從而得齣未知的物理量。隱式格式的最大優點即它是無條件穩定的，隱式格式的時間步長可以取得很大，穩定性較好，但需反復迭代，計算量較大，計算時間也較長，相對來說不太經濟。下麵對有限差分法進行簡單的介紹。
　　有限差分法的基本思想是將微分方程中各項，微商，用，差商，代替，從而形成差分方程，即微分方程的離散方程。例如，一維對流方程問題式中，是廣義變量，可以代錶速度、溫度、鹽度以及物質變量的濃度）是流速。將式（1.1）中的微商用n時刻和j點的差商錶示：
　　用嚮後差分錶示：
　　式（1.1）可錶示為
　　近似的嚮後差分方程為
　　式中，A錶示n時刻到n+1時刻的時間步長；Ax錶示空間網格點上j到j±1的空間步長錶示數量級，o（Ax）是Ax的一階數量級，稱為差分方程截斷誤差，微分方程和差分方程之間的差值。式（1.5）為時間導數嚮前差分，空間導數 嚮後差分，這種格式是時間步長At和空間步長Ax的一階精度格式。
　　如果對用嚮前差分錶示：
　　用嚮分的近分程為
　　上麵介紹的差分方程為顯格式，十1時刻的值可以由n時刻的已知值進行計算。
　　如果取，則差分方程為差分方程（1.8）為隱格式，在計算n+1時刻的M值時，不僅需要n時刻的已知值， 還要知道相鄰節點J-1的n+1時刻值，因此無法從方程中直接求解，需要進行迭 代求解。
　　2.差分方程和微分方程之間的關係
　　數學上要求一個有效的差分方程必須有以下性質（白玉等，2005）。
　　（1）相容性。一個偏微分方程采用某種差分格式化為相應的差分方程後，當空間步長和時間步長同時趨於零時，差分方程的截斷誤差也趨於零，錶明差分方程 收斂於微分方程。這樣的差分方程和微分方程是相容的，或稱差分格式具有相。
　　（2）收斂性。如果差分方程的解為，微分方程的解為時，如果差分方程的解與微分方程的解之差
　　當空間步長和時間步長趨於零時，差分方程的解收斂於微分方程定解問題的解，則稱此差分格式是收斂的。
　　（3）穩定性。用差分方程計算初值問題時，計算誤差（如捨入誤差）在計算過程中能被有效地抑製，從而確保某一時刻所産生的誤差擾動不會有實質性的增長 以緻淹沒真解，則稱此差分格式是穩定的或在一定條件下是穩定的；反之則是不穩 定的。Lax等價定理指齣，對於一個適定的綫性微分方程的定解問題，若逼近它的 差分格式是相容的，則此格式的收斂性是穩定性的充分必要條件，即穩定性與收斂 性等價。
　　1.3.2有限體積法
　　有限體積法又被稱為控製體積法，在計算流體力學和空氣動力學中應用比較廣泛，近幾年在水流的數值模擬中，它的應用逐漸增多。該方法的基本思想是：將 計算區域劃分成不重復的微、控製體積，然後把需要求解的微分方程在每一個控 製體積上積分，之後結閤有限體積法離散積分後的方程式得到代數方程組（陶文銓，2001）。該方法的優點是物理意義明確，但是其存在與有限差分法同樣的問題， 邊界擬閤不是很理想。但近年來隨著麯綫坐標的廣泛應用，這一問題得到瞭較好 的解決。如果說有限差分法是從描述流體運動的微分方程齣發來建立離散方程，那麼有限體積法則是從流體運動積分形式的守恒方程齣發來建立離散方程。
　　……

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