彎曲與分叉渠道潰壩波運動特性的數(shù)值預報(1)

1、    彎曲與分叉渠道潰壩波運動特性的數(shù)值預報(1)    基于TVD格式的有限差分算法思想，考慮節(jié)點與單元的對應關系，對任意四邊形單元各邊的通量采用優(yōu)選限量函         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡上收集整理餅投稿至本站的，論文版權屬原作者，請不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權益，請聯(lián)系我們。其中    (16) &#

2、160;  (17)    時空步長比為         (18)其中 表示單元i和衛(wèi)星單元1形心之間的距離。    4    邊界條件為了使邊界與內(nèi)點保持同樣精度和采用統(tǒng)一的格式，本文增設域外虛擬單元。(1)    開邊界，需視流態(tài)確定6；(2)    固壁邊界,與邊界重合的邊： 

3、60;  .域外虛擬單元：    （形心）；    （各邊）表示其法向通量和切線通量為零。其中下標“1”、“2”表示域外單元，“b”表示鄰近邊界的內(nèi)部單元(如圖1所示)。不計域外單元的幾何尺寸和形狀，因為計算中不需對其量化。5    數(shù)值預報5.1 180°彎道     設有一180°彎曲渠道，入口與出口直段長2400m，彎曲段內(nèi)外半徑分別是300m和900m，渠道寬600m。壩址位于2240 m

4、處的直段。設上下游水深分別是10m和0.1m，曼寧粗糙系數(shù)為0.02。一般認為，平均徑寬比小于3，則視為強彎曲，本例平均徑寬比為1.0，顯然屬于強彎曲類型。    采用上述計算方法，獲得了該彎曲渠道全潰潰壩波的數(shù)值模擬結(jié)果。計算歷時100s、300s、470s后所得到的自由水面和速度場分別示于圖2、圖3和圖4。可以看出，剛開始時，潰壩波在平直段均勻推進，進入彎道后，潰壩波的運動受到兩岸固壁的限制，流速方向和水位分布發(fā)生變化。外側(cè)水位略高于內(nèi)側(cè)水位，且最前端的流體（主波）速度總是有偏離彎道方向推進的趨勢，這應是離心力作用以及渠道寬度較大的緣故。但再進入平直

5、段后，這種變化逐漸減小，當經(jīng)歷更長一段時間后，這種差別逐漸消失，兩岸流體以幾乎相同的波高和速度推進，甚至外側(cè)流體推進速度略快。這些特征與已有的實驗結(jié)果14是一致的。圖2 彎道內(nèi)潰壩流動的自由水面與速度場（t=100s）圖3 彎道內(nèi)潰壩流動的自由水面與速度場（t=300s）圖4 彎道內(nèi)潰壩流動的自由水面與速度場（t=470s）5.2 90°雙支分叉渠道有一90°分叉渠道，壩址位于920m處，考慮初始上游水位為10m，下游水位為2m和0.01m，分別代表濕底和干底。曼寧粗糙系數(shù)取為0.02。圖5(a)、(b)分別是計算潰決100s時濕底和干底的潰壩波自由水面。負波向上游傳播，正

6、波及下游流體在交匯處自動進行質(zhì)量（流量）和動量的再分配，形成主流和支流，且在角區(qū)水位變化劇烈，有旋渦。叉點處的流動特征非常復雜, 而且在不同水深比情況下的特征也是有顯著差別的。干底時波高顯然比濕底時小而波形平坦。    圖5 雙支分叉渠道潰壩波水面線 (左圖為濕底，右圖為干底)5.3 45°三支分叉渠道一45°三支分叉渠道，兩條對稱分布的分支渠道與主河道成45°角，主河道長2300m,寬400m，分支河道寬300m。壩址位于900m處。同樣取上游水深是10m、下游水深是2m和0.01m，曼寧粗糙系數(shù)0.02。計算潰決40s和

7、80s時，水深比為0.2情況下水位等值線如圖6所示；水深比為0.001情況下水位等值線如圖7?？梢钥闯觯瑵尾ㄟ\動特征與上例類似，上游波形和波的推進速度在不同水深比時具有相似的特征，在角區(qū)存在旋渦。但交匯處和下游波形及推進速度卻有較大差別，下游小水深情況下與大水深相比，波形更平緩，而且在到達交匯處之前推進速度略快。圖6 三支分叉濕底渠道潰壩波的水位等值線 （左圖t=40s，右圖t=80s）圖7 三支分叉干底渠道潰壩波的水位等值線 （左圖t=40s，右圖t=80s）6 結(jié)語在作者近期研究的基礎上，基于四邊形單元及其衛(wèi)星單元所定義的拓撲關系，利用帶有最優(yōu)限量函數(shù)的組合型TVD格式和Runge-Ku

8、tta法分別作空間離散和時間離散，建立了淺水方程的任意四邊形單元的有限體積TVD格式，為任意渠道潰壩波的計算提供了高分辨率、高精度的數(shù)值手段。首次針對180°強彎曲河道、90°以及45°分叉河道，預報了潰壩波的演進過程，揭示了在復雜河道特別是具有彎道、分叉等天然特征時潰壩波的急劇變化特性。雖然本文是針對潰壩波非恒定自由表面間斷流問題所作的研究，但可以預見，本文的方法可以方便地推廣應用于其它具有潮波、水躍現(xiàn)象甚至更一般的恒定    參 考 文 獻1    Harten A. High r

9、esolution schemes for hyperbolic conservation laws, J. Comp. Phys., 1983, 49: 357-393.2    胡四一、譚維炎，用TVD格式預測潰壩洪水波的演進，水利學報，1989，(7)：111.3    陶建華, 張衛(wèi)東. 總變差不增格式計算一維、二維潰壩波. 天津大學學報, 1993, (1): 715.4    Yang J Y, Hsu C A and Chang S H. Computation

10、s of free surface flows, Part 1: 1D dam-break flow. J. Hydr. Res. , 1993, 31(1): 19-34.5    王嘉松, 倪漢根, 金生, 李鑒初，用TVD顯隱格式模擬潰壩波的演進與反射，水利學報，1998，（5）：7-11.6    王嘉松, 倪漢根, 金生，二維潰壩波傳播和繞流特性的高精度數(shù)值模擬，水利學報，1998，（10）：1-6.7    王嘉松, 倪漢根, 金生，二維潰壩問題的高分辨率數(shù)值模擬

11、，上海交通大學學報，1999，（10）：12131216.8    Wang Jia-song and Ni Han-gen. A high resolution finite-volume method for solving the shallow water equations. J. Hydrodynamics, Ser. B., 2000, (1): 35-41.9    Wang Jia-song, Ni Han-gen and He You-sheng. Finite-difference TVD s

12、cheme for computation of dam-break problems. J. Hydr. Eng., ASCE, 2000, 126(4): 253-262.10 譚維炎, 胡四一，二維淺水流動的一種普適的高性能格式有限體積Osher格式，水科學進展，1991，(3)：154-161.11 Zhao D H, Shen H W, Lai J S and Tabios G Q. Approximate Riemann solvers in FVM for 2D hydraulic shock wave modeling, J. Hydr. Eng., ASCE, 1996, 1

13、22: 692-702.            摘基于TVD格式的有限差分算法思想，考慮節(jié)點與單元的對應關系，對任意四邊形單元各邊的通量采用優(yōu)選限量函         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡上收集整理餅投稿至本站的，論文版權屬原作者，請不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權益，請聯(lián)系我們。    

14、;摘 討論了機電一體化技術對于改變整個機械制造業(yè)面貌所起的重作用，并說明其在鋼鐵工業(yè)中的應用以及發(fā)展趨勢。關鍵詞 機電一體化 技術 應用1 機電一體化技術發(fā)展機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合，其發(fā)展和進步有賴于相關技術的進步與發(fā)展，其主發(fā)展方向有數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。1.1 數(shù)字化微控制器及其發(fā)展奠定了機電產(chǎn)品數(shù)字化的基礎，如不斷發(fā)展的數(shù)控機床和機器人；而計算機網(wǎng)絡的迅速崛起，為數(shù)字化設計與制造鋪平了道路，如虛擬設計、計算機集成制造等。數(shù)字化求機電一體化產(chǎn)品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及

15、友好人機界面。數(shù)字化的實現(xiàn)將便于遠程操作、診斷和修復。1.2 智能化即求機電產(chǎn)品有一定的智能,使它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。例如在CNC數(shù)控機床上增加人機對話功能，設置智能I/O接口和智能工藝數(shù)據(jù)庫，會給使用、操作和維護帶來極大的方便。隨著模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、灰色理論、小波理論、混沌與分岔等人工智能技術的進步與發(fā)展，為機電一體化技術發(fā)展開辟了廣闊天地。1.3 模塊化由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元模塊是一項復雜而有前途的工作。如研制具有集減速、變頻調(diào)速電機一體的動力驅(qū)動單元；具有視覺、圖像處理、識別和

16、測距等功能的電機一體控制單元等。這樣，在產(chǎn)品開發(fā)設計時，可以利用這些標準模塊化單元迅速開發(fā)出新的產(chǎn)品。1.4 網(wǎng)絡化由于網(wǎng)絡的普及，基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾。而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產(chǎn)品，現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術使家用電器網(wǎng)絡化成為可能，利用家庭網(wǎng)絡把各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家用電器系統(tǒng)，使人們在家里可充分享受各種高技術帶來的好處，因此，機電一體化產(chǎn)品無疑應朝網(wǎng)絡化方向發(fā)展。1.5 人性化機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產(chǎn)品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重，機電一體化產(chǎn)品除了完善的性能外，還求在色彩、造型等方面與環(huán)境相協(xié)調(diào)，使

17、用這些產(chǎn)品，對人來說還是一種藝術享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。1.6 微型化微型化是精細加工技術發(fā)展的必然，也是提高效率的需。微機電系統(tǒng)(Micro Electronic Mechanical Systems，簡稱MEMS)是指可批量制作的，集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。自1986年美國斯坦福大學研制出第一個醫(yī)用微探針，1988年美國加州大學Berkeley分校研制出第一個微電機以來，國內(nèi)外在MEMS工藝、材料以及微觀機理研究方面取得了很大進展，開發(fā)出各種MEMS器件和系統(tǒng)，如各種微型傳感器（壓力傳感器、微

18、加速度計、微觸覺傳感器），各種微構(gòu)件（微膜、微粱、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機器人等）。1.7 集成化集成化既包含各種技術的相互滲透、相互融合和各種產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與復合，又包含在生產(chǎn)過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)的自動化與高效率，應使系統(tǒng)具有更廣泛的柔性。首先可將系統(tǒng)分解為若干層次，使系統(tǒng)功能分散，并使各部分協(xié)調(diào)而又安全地運轉(zhuǎn)，然后再通過軟、硬件將各個層次有機地聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)、功能最強。1.8 帶源化是指機電一體化產(chǎn)品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。由于在許多場合無法使用電能，因而對于運動的機電一

19、體化產(chǎn)品，自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是機電一體化產(chǎn)品的發(fā)展方向之一。1.9 綠色化科學技術的發(fā)展給人們的生活帶來巨大變化，在物質(zhì)豐富的同時也帶來資源減少、生態(tài)環(huán)境惡化的后果。所以，人們呼喚保護環(huán)境，回歸自然，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲中應運而生。綠色產(chǎn)品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協(xié)調(diào)而可再生利用的產(chǎn)品。在其設計、制造、使用和銷毀時應符合環(huán)保和人類健康的求，機電一體化產(chǎn)品的綠色化主是指在其使用時不污染生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)品壽命結(jié)束時，產(chǎn)品可分解和再生利用。2 機電一體化技術在鋼鐵企業(yè)中應用在鋼鐵企業(yè)中，機電一體化系統(tǒng)是以微處理機為核心，把微機、工控機、數(shù)據(jù)通訊、顯示裝置、儀表等技術有機的結(jié)合起來，采用組裝合并方式，為實現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合一體化創(chuàng)造有力條件，增強系統(tǒng)控制精度、質(zhì)量和可靠性。機電一體化技術在鋼鐵企業(yè)中主應用于以下幾個方面：    2.1 智能化控制技術(IC)由于鋼鐵工業(yè)具有大型化、高速化和連續(xù)化的特點，傳統(tǒng)的控制技術遇到了難以克服的困難，因此非常有必采用智能控制技術。智能控制技術主包括專家系統(tǒng)、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡等