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一种模拟介质交界面处达西流速的分区多尺度有限单元法

2021-09-09谢一凡吴吉春谢春红鲁春辉

水利学报 2021年8期
关键词:有限元方法

谢一凡,吴吉春,叶 逾,谢春红,鲁春辉,5

(1.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098;2.河海大学 水利水电学院,江苏 南京 210098;3.南京大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 210023;4.南京大学 数学系,江苏 南京 210093;5.河海大学 长江保护与绿色发展研究院,江苏 南京 210098)

1 研究背景

天然地下水系统常由多种不同的含水介质组成,伴随着裂隙、透镜体等地质特征。在含水介质交界面处,根据折射定律,交界面法向达西流速和水头具有连续性,切向达西流速则具有不连续性且需按折射定律呈比例[1-3]。然而,有限元等传统方法难以保证达西流速的连续性,更不能保证交界面处的达西流速符合折射定律。另一方面,地下水问题具有时空大尺度特性、非均质性等特征。有限元法在模拟地下水问题时常需要精细剖分的网格以保证精度,而精细剖分的网格中含有大量的节点,需要大量的计算消耗和计算时间进行模拟,导致有限元等传统方法在模拟地下水问题时的计算效率较低[4-5]。本文提出的分区多尺度有限元法(MSFEM-D)能够有效解决上述问题,不仅能够令交界面处的达西流速满足折射定律,并且具有极高的计算效率。

连续达西流速算法能够保证节点达西流速值唯一,即流入流出某截面的流量守恒,具有重要意义。然而,有限元等传统算法无法保证节点水力梯度连续性,也无法获得连续的节点达西流速。现有连续达西流速算法具有比传统有限元等方法更高的精度,主要有两种模拟方式。……

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