水利工程实验技能

数值模型试验在水利工程中的应用摘要

关键词

一.引言

随着科学技术的发展，计算机科学技术的日益更新和在各领域的广泛应用，不仅在人们的生活、文化方面产生重大的变革，在工程实验方法中也有所改变，并展现出了突出的优点。试验方法主要包括原型观测试验和数值模型试验。物理模型是用一个较小尺寸的模型来尽可能精确的模拟原型的一种模型。物理模型的目的在于，通过一定的模型法则来模拟或者预测原型的行为状态。在自然科学系统的研究中有很多的建模方法。其中最重要的是物理模型和数学模型。物理模型可能是硬件模型或计算机模拟模型。数百年来，在原型结构设计、修改和建造过程中，模型也被列入工作计划内。船舶模型的作用是多种多样的,如在确定的货舱和压载舱的位置。力学模型是工业革命期间开始使用的，水力模型试验可追溯到十九世纪。近海工程模型对许多港口的发展、防波堤、系泊码头等非常有用。物理模型试验的主要益处之一是可以获得极有价值的信息，这种信息可以以极小的代价来预测原型成功性的概率。可以定性的对其进行观测。当原型的分析相当复杂的时候，引入物理模型就显得相当有必要。在其他情况下，型通常被用来验证简化假设所涉及(或内在)在大多数分析解决方案,包括高阶效应。但是，物理模型试验不能定量的对工程进行分析，因此，也就得不出精确解和从微观方面对工程作出深入的分析了解。着对于工程来说不仅可能造成资源的浪费，也可能因禅城较大的误差而出现工程事故。因此，又要在设计方法上有必要进行改进。

数值模型就是可以用数值或者能够定量计算而建立的模型，可以应用到生物学、天文学、医药学等等许多领域，同时，在水利工程方面应用也特别广泛。这种方法不仅能在计算机上进行模拟计算减少工程造价，而且还能够进行对多目标、多约束的工程问题进行很有效的优化。从而大大提高了我们对复杂问题的求解，在安全和经济的前提下进行优化分析。

二.数值模拟的步骤

数值模拟技术诞生于1953年Bruce G.H和PeacemanD.W模拟了一维气相不稳定径向和线形流。受当时计算机能力及解法限制，数值模拟技术只是初步应用于解一维一相问题。两相流动模拟诞生于1954年，West W J和Garvin W.W模拟了油藏不稳定两相流。在计算机上实现一个特定的计算，非常类似于履行一个物理实验。这时分析人员已跳出了数学方程的圈子来对待物理现象的发生，就像做一次物理实验。数值模拟实际上应该理解为用计算机来做实验。比如某一特定机翼的绕流，通过计算并将其计算结果在荧光屏上显示，可以看到流场的各种细节：如激波是否存在，它的位置、强度、流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。通过上述方法，人们可以清楚地看到激波的运动、涡的生成与传播。总之数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别。

首先要建立反映问题（工程问题、物理问题等）本质的数学模型。具体说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。这是数值模拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就无从谈起。牛顿性流体流动的数学模型就是著名的纳维—斯托克斯方程方程（简称方程）及其相应的定解条件。

数学模型建立之后，需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方法。由于人们的努力，目前已发展了许多数值计算方法。计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。这些过去被人们忽略或回避的问题，现在受到越来越多的重视和研究。

在确定了计算方法和坐标系后，就可以开始编制程序和进行计算。实践表明这一部分工作是整个工作的主体，占绝大部分时间。由于求解的问题比较复杂，比如方程就是一个非线性的十分复杂的方程，它的数值求解方法在理论上不够完善，所以需要通过实验来加以验证。正是在这个意义上讲，数值模拟又叫数值试验。应该指出这部分工作决不是轻而易举的。

在计算工作完成后，大量数据只能通过图像形象地显示出来。因此数值的图像显示也是一项十分重要的工作。目前人们已能把图作得像相片一样逼真。利用录像机或电影放映机可以显示动态过程，模拟的水平越来越高，越来越逼真。

三.数值模型实验

通过以下在水利工程中的应用实例，我们可以看出数值模型实验的优势。

混凝土是由水、水泥和粗细骨料组成的复合材料。骨料尺寸及其级配、水泥用量、水灰比、固化强度、养护条件、环境湿度和混凝土的发热量等因素直接影响混凝土力学特性。不

均匀性是混凝土材料的本质特点, 微裂缝是决定其性能的主导因素。为了反映混凝土细观结构不均匀性特征, 对其损伤断裂过程进行细观力学数值模拟, 人们提出了许多细观力学模型, 如格构模型, 随机力学特性模型和随机骨料模型等。但到目前为止, 对混凝土细观力学

的数值模拟研究工作主要限于平面问题[1 24]。尽管有三维骨料模型的研究[5], 但基本上停

留在对/ 凸型0多面体骨料随机投放算法的研究, 并且骨料含量低, 没有考虑实际骨料级配。文献[6] 提出了按照混凝土实际级配的骨料含量和比例生成球形骨料模型的随机投放方法,

并在球形骨料模型的基础上生成了接近于实际骨料形态的多面体骨料模型。本文将在其基础上, 针对混凝土三维细观力学数值分析方法及其编程技巧进行分析研究。