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环境水动力学数值模型研究及应用

浅水方程，非静压模型，CFD-DEM，CFD-IBM，植被水流

       地表水域的水环境涉及物理、化学、生物等多学科、多尺度耦合过程，数值模拟技术的发展为相关问题的深入研究提供了有效的技术手段，软件系统的建立及完善不仅保障了数值模拟技术发展的延续性，同时可为工程建设服务。鉴于江、河、湖、海等地表水流运动的时空尺度特征，浅水方程兼顾模拟精度与计算效率，具有广泛的适用性。然而其局限性也很明显，即色散水波的模拟精度降低、结构物局部流场模拟的失真等。以浅水方程数值模型为基础，采用压力分裂技术的非静压模型，数学描述上为完整的三维Navier-Stokes（NS）模型，数值求解则兼顾了模拟效率与精度，拓宽了浅水方程的应用范围。非静压模型弥补了浅水方程的不足，且计算资源需求较小，有助于天然水域水流运动的数值模拟。这类模型通常采用的数值求解方法存在着一些不足之处，包括强烈扭曲水面的模拟、复杂水下结构物的模拟等。在传统模型的基础上，发展的CFD-IBM的耦合模型，可有效地应用于复杂结构的流固耦合运动研究。基于域扩展法在水流模型中建立的柔性弹性细杆动力学模型，对于大尺度水域中水生植被引起的水动力学特征的研究提供了有效的技术手段。对于水利工程、海洋工程、海岸工程等涉及的泥沙运动的研究，CFD-DEM模型提供了高精度的数值模拟技术手段。本文针对上述非静压水波模型模拟技术及相关流固耦合模型的开发及应用做了简要介绍，同时关注系统软件的自主性研发，力求不断扩宽相关的研究领域。