计算水动力学的发展与展望

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四十多年来,计算水动力学从无到有,各方面取得不少成果。综观计算水动力学的发展历程和研究进展,初步得出,以下方面将成为计算水动力学在今后一段时期内的研究重点:

①将水文与计算水动力学相结合,进行洪水预报与决策,这在今后在江、河、湖、海治理方面大有用武之地,对于我国大流域的江河治理,洪水预报与决策,水动力学数值方法将占主要地位。

②水问题尤其是水污染的问题已被人们所重视,在今后的研究中水污染的三维非恒定流计算会深入发展。

③水沙联合数学模型的二维三维计算也需要加大研究力度。

④国内外对粘性流、紊流、涡旋流数值方法的研究正在深入进行。计算对象正扩展到双流体,二相与三相流体领域将逐步扩大应用范围。直接大涡模拟,离散涡,随机涡计算并模拟旋涡和用细网格解紊流旋涡也在尝试,随着计算机不断换代与发展,其价格大大降低,效率和功能不断提高,三维计算将更广泛地开展。

⑤计算方法主要还是差分法和有限元法,依赖于时间问题的发展方程,主要还依赖于差分法,而为数众多的差分格式中将会得到优选格式,而时间差分、空间有限元的混合方法经验表明也是一个有效的途径。今后可能会在计算方法予以创新。近年来,随着计算机技术的快速进步,并行计算的研究也进入到计算水动力学领域,并将在今后一段时期内重点研究。

⑥质点运动与紊流场相结合的Lagrange-Euler的方法,如PIC(Particle InCell)、MAC(Mark AndCell)格式,用来解波浪爬高、破碎等特殊流动非常生动。但水跃、挑流掺气消能、雾化现象尚缺乏成功有效的模拟实例,其中的关键在于精度,今后计算水动力学会在研究内容上扩展这方面的研究。

⑦随着计算机技术的发展,可以动态显示流场图、风险图等。图像识别和流动显示技术在计算结果的可视性方面将有较快的发展。

⑧数值计算与物理分析和实验是相辅相成的。空气动力学关于波动的理论分析与计算经验是可借鉴的。而对紊流内部结构与扩散性质的物理实验,有助于进一步建立有效的数学模型。