三维水动力数值模拟及可视化研究

论文摘要

本文目标是建立能够进行具有自由表面的三维水动力数值模拟和流场数据后处理的软件系统。首先,基于非静压假设建立自由表面三维水动力数学模型,三维模型采用平面非结构网格、垂向σ坐标分层网格形式,以有限体积和有限差分混合法离散并求解方程,通过程序实现对模型方程的数值求解。然后,编制程序实现对三维流场的仿真可视化,形成能同时进行数值模拟和数据后处理的三维水动力数值模拟软件系统。基于时均化雷诺方程和标准κ—ε紊流模型方程构建封闭模型方程组,利用水流具有自由表面、不可压缩等特点,增加约束,建立水动力数学模型。采用半隐、分步求解模式对模型方程进行求解：首先求解静压假设下的雷诺方程,然后根据不可压连续方程计算非静压校正项,对静压计算结果进行非静压修正以得到最终结果；采用有限体积方法和有限差分法混合方式离散控制方程、用满足自由表面运动学边界条件的水位控制方程来计算新时刻自由表面位置,对流项和水平粘性项的计算采用半隐方法,这些技巧的使用保证了方程求解的简便和格式的稳定。通过算例验证了三维模型的正确性。采用微软WPF三维图形平台和立体影像技术,编制软件实现了对三维流场的立体式动态仿真模拟,软件还可以实现对三维表面流场、截面流场、波浪场的实时动态可视化,同时能够对压强、温度、浓度等标量场进行模拟。对三维流场的仿真模拟,提出用立体影像原理及制作方法,实现对三维流场的拉格朗日法仿真模拟,使三维场景可以分层次、有景深地进行呈现,突破了二维显示屏幕对三维场景显示的局限,使得三维场景建立具有了实际意义,是一条行之有效的三维流场模拟途径。截面流场模拟采用高效算法实现任意走向垂直截面、任意复杂地形下水平截面的获取；采用将截面放置于三维场景中,以垂直投影法显示截面流场的方式,使截面流场仿真也具有了三维感。表面流场模拟不仅能够将流速质点漂浮于水面进行表层流场仿真,而且可以显示动态水面,使得有水位剧烈变化的模拟更加形象,它与三维地形衬托下实现二维流场不同,可表现出三维表面流的垂向特性。轻量级的WPF三维图形平台加上高效的数据处理代码和多线程编程技术,使得可视化系统运行效率极高,即使在普通的双核计算机上也能有很好的运行性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 水动力数值模拟研究进展
• 1.2 三维可视化技术进展
• 1.2.1 可视化技术发展
• 1.2.2 三维流场可视化
• 1.3 论文题目来源
• 1.4 论文主要研究内容
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 研究技术路线
• 2 具有自由表面的三维水动力数学模型
• 2.1 基本控制方程及模型方程封闭
• 2.2 定解条件
• 2.2.1 边界条件
• 2.2.2 初始条件
• 2.3 模型方程离散
• 2.3.1 三维有限体积离散基本原理和方程
• 2.3.2 网格及变量分布
• 2.3.3 静压计算
• 2.3.4 非静压修正计算
• 2.3.5 紊流模型方程离散
• 2.4 模型求解过程
• 2.5 模型特点及精度和稳定性分析
• 2.5.1 模型格式特点
• 2.5.2 稳定性分析
• 2.6 实验验证
• 2.6.1、三维线性驻波
• 2.6.2、椭圆形浅滩波浪传播变形实验
• 3 三维可视化中的场景建立
• 3.1 三维图形平台选择
• 3.1.1 OpenGL与WPF
• 3.1.2 WPF简介
• 3.2 用WPF建立三维模型场景
• 3.2.1 建模步骤
• 3.2.2 模型三维场景的建立
• 3.2.3 场景视角控制
• 3.3 波浪场动态模拟
• 3.4 影像文件制作
• 4 三维截面流场及表面流场仿真模拟
• 4.1 复杂地形下水平截面生成
• 4.1.1 水平截面生成算法
• 4.1.2 生成截面及验证比较
• 4.2 复杂边界下垂直截面生成
• 4.3 示踪粒子分布方式
• 4.3.1 示踪粒子分布控制方式及实现
• 4.3.2 初始流场的生成
• 4.3 截面流场绘制
• 4.3.1 水平截面流场显示
• 4.3.2 垂直截面流场显示
• 4.4 三维场景中的二维流场模拟
• 4.4.1 时间插值
• 4.4.2 空间插值
• 4.4.3 平面单元定位
• 4.4.4 流场质点数量控制
• 4.4.5 表面示踪粒子迹线追踪
• 4.4.6 流场显示与Mike21结果比较
• 4.5 三维表面流场模拟
• 4.5.1 垂向约束条件
• 4.5.2 表面流场绘制
• 5 立体式三维流场仿真模拟
• 5.1 立体成像原理
• 5.2 三维流场模拟
• 5.3 三维示踪粒子构建
• 5.3.1 球状质点
• 5.3.2 慧迹球质点
• 5.3.3 圆柱状质点
• 5.3.4 彩带状质点
• 5.4 三维流场立体式仿真的实现
• 5.4.1 三维流场立体片源生成
• 5.4.2 红蓝立体片源制作
• 5.4.3 三维立体片源播放
• 5.5 数据可视化软件的特点及优势
• 6 工程应用与验证
• 6.1 江苏洋口港污水排海三维水动力数值模拟研究
• 6.1.1 模型验证
• 6.1.2 试验结果
• 6.1.3 结论
• 6.2 长江、沱江汇合口三维水流特性研究
• 6.2.1 模型验证
• 6.2.2 试验结果
• 6.2.3 结论
• 7 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢