彎曲與分叉渠道潰壩波運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值預(yù)報(bào)(1)

1、    彎曲與分叉渠道潰壩波運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值預(yù)報(bào)(1)    基于TVD格式的有限差分算法思想，考慮節(jié)點(diǎn)與單元的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)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(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請(qǐng)不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學(xué)習(xí)之用，否者后果自負(fù)，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系我們。其中    (16) &#

2、160;  (17)    時(shí)空步長(zhǎng)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(diǎn)保持同樣精度和采用統(tǒng)一的格式，本文增設(shè)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(biāo)“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(jì)域外單元的幾何尺寸和形狀，因?yàn)橛?jì)算中不需對(duì)其量化。5    數(shù)值預(yù)報(bào)5.1 180°彎道     設(shè)有一180°彎曲渠道，入口與出口直段長(zhǎng)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(shè)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(rèn)為，平均徑寬比小于3，則視為強(qiáng)彎曲，本例平均徑寬比為1.0，顯然屬于強(qiáng)彎曲類型。    采用上述計(jì)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(jì)算歷時(shí)100s、300s、470s后所得到的自由水面和速度場(chǎng)分別示于圖2、圖3和圖4?？梢钥闯?，剛開始時(shí)，潰壩波在平直段均勻推進(jìn)，進(jìn)入彎道后，潰壩波的運(yùn)動(dòng)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(jìn)的趨勢(shì)，這應(yīng)是離心力作用以及渠道寬度較大的緣故。但再進(jìn)入平直

5、段后，這種變化逐漸減小，當(dāng)經(jīng)歷更長(zhǎng)一段時(shí)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(jìn)，甚至外側(cè)流體推進(jìn)速度略快。這些特征與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果14是一致的。圖2 彎道內(nèi)潰壩流動(dòng)的自由水面與速度場(chǎng)（t=100s）圖3 彎道內(nèi)潰壩流動(dòng)的自由水面與速度場(chǎng)（t=300s）圖4 彎道內(nèi)潰壩流動(dòng)的自由水面與速度場(chǎng)（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(jì)算潰決100s時(shí)濕底和干底的潰壩波自由水面。負(fù)波向上游傳播，正

6、波及下游流體在交匯處自動(dòng)進(jìn)行質(zhì)量（流量）和動(dòng)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(diǎn)處的流動(dòng)特征非常復(fù)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(shí)波高顯然比濕底時(shí)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(duì)稱分布的分支渠道與主河道成45°角，主河道長(zhǎng)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(jì)算潰決40s和

7、80s時(shí)，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?，潰壩波運(yùn)動(dòng)特征與上例類似，上游波形和波的推進(jìn)速度在不同水深比時(shí)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(jìn)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(dá)交匯處之前推進(jìn)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(chǔ)上，基于四邊形單元及其衛(wèi)星單元所定義的拓?fù)潢P(guān)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(shí)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(jì)算提供了高分辨率、高精度的數(shù)值手段。首次針對(duì)180°強(qiáng)彎曲河道、90°以及45°分叉河道，預(yù)報(bào)了潰壩波的演進(jìn)過程，揭示了在復(fù)雜河道特別是具有彎道、分叉等天然特征時(shí)潰壩波的急劇變化特性。雖然本文是針對(duì)潰壩波非恒定自由表面間斷流問題所作的研究，但可以預(yù)見，本文的方法可以方便地推廣應(yīng)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(xiàn)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(yù)測(cè)潰壩洪水波的演進(jìn)，水利學(xué)報(bào)，1989，(7)：111.3    陶建華, 張衛(wèi)東. 總變差不增格式計(jì)算一維、二維潰壩波. 天津大學(xué)學(xué)報(bào), 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(jìn)與反射，水利學(xué)報(bào)，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(xué)報(bào)，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(xué)學(xué)報(bào)，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(dòng)的一種普適的高性能格式有限體積Osher格式，水科學(xué)進(jìn)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(diǎn)與單元的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)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(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請(qǐng)不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學(xué)習(xí)之用，否者后果自負(fù)，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系我們。    

14、;摘 討論了機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)于改變整個(gè)機(jī)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(yīng)用以及發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞 機(jī)電一體化 技術(shù) 應(yīng)用1 機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展機(jī)電一體化是機(jī)械、微電子、控制、計(jì)算機(jī)、信息處理等多學(xué)科的交叉融合，其發(fā)展和進(jìn)步有賴于相關(guān)技術(shù)的進(jìn)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(luò)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(jī)電產(chǎn)品數(shù)字化的基礎(chǔ)，如不斷發(fā)展的數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人；而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速崛起，為數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造鋪平了道路，如虛擬設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)集成制造等。數(shù)字化求機(jī)電一體化產(chǎn)品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護(hù)性、自診斷能力以及

15、友好人機(jī)界面。數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)將便于遠(yuǎn)程操作、診斷和修復(fù)。1.2 智能化即求機(jī)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(jī)床上增加人機(jī)對(duì)話功能，設(shè)置智能I/O接口和智能工藝數(shù)據(jù)庫，會(huì)給使用、操作和維護(hù)帶來極大的方便。隨著模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論、小波理論、混沌與分岔等人工智能技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，為機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展開辟了廣闊天地。1.3 模塊化由于機(jī)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(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元模塊是一項(xiàng)復(fù)雜而有前途的工作。如研制具有集減速、變頻調(diào)速電機(jī)一體的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元；具有視覺、圖像處理、識(shí)別和

16、測(cè)距等功能的電機(jī)一體控制單元等。這樣，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用這些標(biāo)準(zhǔn)模塊化單元迅速開發(fā)出新的產(chǎn)品。1.4 網(wǎng)絡(luò)化由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾。而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò)化成為可能，利用家庭網(wǎng)絡(luò)把各種家用電器連接成以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)集成家用電器系統(tǒng)，使人們?cè)诩依锟沙浞窒硎芨鞣N高技術(shù)帶來的好處，因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑應(yīng)朝網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。1.5 人性化機(jī)電一體化產(chǎn)品的最終使用對(duì)象是人，如何給機(jī)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(jī)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(duì)人來說還是一種藝術(shù)享受，如家用機(jī)器人的最高境界就是人機(jī)一體化。1.6 微型化微型化是精細(xì)加工技術(shù)發(fā)展的必然，也是提高效率的需。微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electronic Mechanical Systems，簡(jiǎn)稱MEMS)是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)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(xué)研制出第一個(gè)醫(yī)用微探針，1988年美國加州大學(xué)Berkeley分校研制出第一個(gè)微電機(jī)以來，國內(nèi)外在MEMS工藝、材料以及微觀機(jī)理研究方面取得了很大進(jìn)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(jì)、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(jī)器人等）。1.7 集成化集成化既包含各種技術(shù)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(fù)合，又包含在生產(chǎn)過程中同時(shí)處理加工、裝配、檢測(cè)、管理等多種工序。為了實(shí)現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化與高效率，應(yīng)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(yùn)轉(zhuǎn)，然后再通過軟、硬件將各個(gè)層次有機(jī)地聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)、功能最強(qiáng)。1.8 帶源化是指機(jī)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(chǎng)合無法使用電能，因而對(duì)于運(yùn)動(dòng)的機(jī)電一

19、體化產(chǎn)品，自帶動(dòng)力源具有獨(dú)特的好處。帶源化是機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展方向之一。1.9 綠色化科學(xué)技術(shù)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(shí)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(hù)環(huán)境，回歸自然，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲中應(yīng)運(yùn)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(shè)計(jì)、制造、使用和銷毀時(shí)應(yīng)符合環(huán)保和人類健康的求，機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主是指在其使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)品壽命結(jié)束時(shí)，產(chǎn)品可分解和再生利用。2 機(jī)電一體化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中應(yīng)用在鋼鐵企業(yè)中，機(jī)電一體化系統(tǒng)是以微處理機(jī)為核心，把微機(jī)、工控機(jī)、數(shù)據(jù)通訊、顯示裝置、儀表等技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，采用組裝合并方式，為實(shí)現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合一體化創(chuàng)造有力條件，增強(qiáng)系統(tǒng)控制精度、質(zhì)量和可靠性。機(jī)電一體化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中主應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：    2.1 智能化控制技術(shù)(IC)由于鋼鐵工業(yè)具有大型化、高速化和連續(xù)化的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的控制技術(shù)遇到了難以克服的困難，因此非常有必采用智能控制技術(shù)。智能控制技術(shù)主包括專家系統(tǒng)、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等