第1章 水利水电工程模拟仿真基础 1
1.1 水利水电工程数学模型基础 1
1.2 水利水电工程模型的特点 2
1.3 水利水电工程建模的思维导向和原则 3
1.3.1 水利水电工程建模的思维导向 3
1.3.2 水利水电工程建模遵循的原则 5
1.4 建立水利水电工程模型的一般步骤和建模方法 6
1.4.1 建立水利水电工程模型的一般步骤 6
1.4.2 水利水电工程模型建模方法 7
1.5 水利水电工程数值模拟复杂度简介 8
1.6 水利水电工程几何建模的经验 10
1.6.1 建模过程中要养成好习惯 10
1.6.2 掌握几种几何建模平台 10
1.6.3 养成坚持不放弃的精神 11
1.6.4 建模实践过程中要总结建模方法 11
1.7 水利水电工程仿真模型选择的建议 11
1.8 水利水电工程仿真建模实例 13
1.8.1 选择建模思维导向 13
1.8.2 分析研究目的 14
1.8.3 分析模型主要因素 14
1.8.4 编制建模整体框架 17
1.8.5 “泥石流运动机理”子系统研究 17
1.8.6 推导控制方程和定解条件 17
1.9 有限元方法简介 19
1.9.1 有限元基本理论简介 19
1.9.2 水利工程中的有限元分析建议 21
1.10 ANSYS Products简介 23
1.10.1 经典ANSYS简介 23
1.10.2 ANSYS Workbench12.1简介 26
1.10.3 ANSYS ICEM简介 30
1.10.4 ANSYS CFX简介 31
1.10.5 ANSYS Fluent简介 32
第2章 水工结构中的常用结构单元模拟 35
2.1 水工二维结构模拟 35
2.1.1 梁单元BEAM3简介 35
2.1.2 分析实例概述 36
2.1.3 ANSYS的分析二维梁结构 37
2.2 水工三维框架梁结构仿真 45
2.2.1 梁单元BEAM188简介 45
2.2.2 分析对象简述 45
2.2.3 ANSYS的分析框架梁结构 45
2.3 水工三维壳体结构仿真单元SHELL63 54
2.3.1 壳体单元SHELL63简介 54
2.3.2 分析实例概述 55
2.3.3 ANSYS分析壳体结构 55
第3章 基于ANSYS及ANSYS Workbench平台水工钢结构仿真 60
3.1 水利工程中桁架模态仿真分析 60
3.1.1 桁架结构简介 60
3.1.2 模态分析基础 63
3.1.3 分析实例概述 63
3.1.4 基于ANSYS Workbench模态仿真实现过程 64
3.1.5 基于ANSYS平台桁架模态仿真实现过程 69
3.2 水工弧形闸门有限元分析 73
3.2.1 水库弧形闸门基础 73
3.2.2 分析对象简介 74
3.2.3 基于ANSYS Workbench平台闸门静力学分析 75
3.2.4 基于ANSYS和ANSYS Workbench平台弧形闸门瞬态响应分析模拟 79
3.3 引水式水电站有压引水系统动态仿真 89
3.3.1 有压引水系统、调压室（井）及其压力钢管简介 89
3.3.2 流固耦合仿真简介 97
3.3.3 分析对象简介 98
3.3.4 基于ANSYS CFX和ANSYS Workbench平台模拟仿真 99
第4章 水工地质及边坡工程数值模拟 116
4.1 水工地质及其边坡工程简介 116
4.2 水工地质及边坡工程数值模拟分析过程 118
4.3 挡土墙结构设计与仿真计算简介 119
4.3.1 挡土结构计算与仿真简介 119
4.3.2 基于框锚加固技术的重力式挡墙支护结构简介 125
4.3.3 算例物理模型简介 125
4.4 基于ANSYS Workbench平台挡土结构仿真模拟实现过程 127
4.4.1 基于ANSYS Workbench网格模型建立 127
4.4.2 设置求解边界 128
4.4.3 设置求解输出设置且启动求解 133
4.4.4 后处理及其结果分析 136
第5章 水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟 137
5.1 水工隧洞基础 137
5.1.1 水工隧洞简介 137
5.1.2 水工隧洞的设计模型 139
5.1.3 水工隧洞的数值方法 141
5.1.4 水工隧洞的荷载 141
5.2 基于ANSYS平台水工隧洞施工过程模拟 142
5.2.1 ANSYS单元生死 142
5.2.2 初始地应力的模拟方法 145
5.3 数值模拟对象 146
5.4 有限元建模 146
5.4.1 单元定义和材料定义 147
5.4.2 几何建模 150
5.4.3 网格划分 160
5.4.4 边界条件和初始条件 166
5.5 水工隧洞施工过程模拟 168
5.5.1 初始状态模拟 169
5.5.2 毛洞开挖工况模拟 170
5.5.3 毛洞支护工况模拟 173
5.5.4 查看结果与后处理 176
5.6 水工隧洞运行期模拟 186
5.6.1 运行期内水压力的模拟 186
5.6.2 运行期外水压力的模拟 190
第6章 重力坝的施工及运行ANSYS模拟 195
6.1 重力坝简介 195
6.2 ANSYS混凝土单元（SOLID65）简介 196
6.2.1 SOLID65单元输入数据 197
6.2.2 SOLID65单元应力输出结构图 198
6.3 数值模拟对象介绍 200
6.4 创建二维几何模型 200
6.4.1 基于AutoCAD2010平台创建重力坝二维模型 200
6.4.2 启动ANSYS仿真平台并定义仿真文件 201
6.4.3 定义仿真单元和材料属性 206
6.4.4 建立有限元模型 209
6.4.5 添加边界条件及初始条件 215
6.5 施工期及运行期弹性模拟 218
6.5.1 初始状态模拟 219
6.5.2 完建工况模拟 221
6.5.3 运行工况模拟 223
6.5.4 查看结果与后处理 232
第7章 基于ANSYS重力坝的弹塑性模拟仿真 242
7.1 弹塑性理论及其仿真基础 242
7.1.1 弹塑性理论与屈服准则 242
7.1.2 混凝土重力坝弹塑性结构有限元分析必要性 245
7.1.3 大坝混凝土结构有限元分析的发展趋势 245
7.1.4 ANSYS仿真平台下混凝土塑性损伤本构模型理论模型 246
7.2 重力坝的弹塑性模拟分析前期准备 248
7.3 施工期及运行期弹性模拟 251
7.3.1 初始状态模拟 252
7.3.2 完建工况模拟 253
7.3.3 运行工况模拟 256
7.3.4 混凝土重力坝的超载分析 261
7.3.5 结果与后处理 264
第8章 ANSYS平台下重力坝模态响应分析及其抗震性能模拟 272
8.1 模态响应分析基础 272
8.1.1 模态响应分析基础 272
8.1.2 基于ANSYS平台模态响应分析的基本步骤 274
8.2 数值模拟对象 274
8.3 基于ANSYS平台的重力坝模态分析 277
8.3.1 激活模态分析模块 277
8.3.2 设置模态分析选项 277
8.3.3 求解计算 277
8.3.4 保存计算结果 278
8.3.5 查看模态分析结果与后处理 279
8.4 基于ANSYS平台重力坝谱分析 280
8.4.1 设定谱分析类型 280
8.4.2 设定单点响应谱类型和激励方向 280
8.4.3 设定谱值和频率值 281
8.4.4 求解与保存结果 282
8.5 基于ANSYS平台重力坝扩展模态仿真分析 283
8.5.1 扩展模态仿真分析设置 283
8.5.2 求解扩展模态并保存模拟结果 284
8.5.3 合并模态设置 284
8.5.4 求解扩展模态 285
8.5.5 查看结果与后处理 285
8.6 基于ANSYS平台重力坝在地震波的瞬态分析 288
8.6.1 建立地震波数据文件 288
8.6.2 读入地震波数据 288
8.6.3 指定分析类型 290
8.6.4 设定瞬态分析选项 291
8.6.5 施加地震加速度荷载 292
8.6.6 求解瞬态 292
8.6.7 加入时间历程后处理与瞬态后处理 293
第9章 汛期重力坝泄水过程与结构稳定校核仿真 294
9.1 水电站输水系统和WES堰流动仿真基础 294
9.1.1 WES堰简介 294
9.1.2 水电站取水口系统几何模型设计介绍 296
9.2 基于ANSYS CFX泄水水流分析 298
9.2.1 几何模型导入和有限元模型 298
9.2.2 建立流场仿真模型 302
9.2.3 求解单位、求解控制和输出控制 312
9.3 基于ANSYS Workbench重力坝结构应力分析 315
9.3.1 模型导入和有限元模型 315
9.3.2 建立结构仿真模型 317
9.3.3 求解与后处理 320
第10章 基于ANSYS Workbench/CFX平台渡槽结构仿真及其耦合分析 322
10.1 水工渡槽基础与ANSYS CFX流场仿真平台的简介 322
10.1.1 水工渡槽简介 322
10.1.2 水工渡槽三维流体—固体动力耦合分析模拟 323
10.1.3 基于ANSYSWorkbench的CFX流场分析流程介绍 327
10.2 数值模拟对象 329
10.3 基于ANSYS Workbench渡槽静力学模拟分析实现过程 330
10.3.1 启动仿真系统 330
10.3.2 导入几何模型 330
10.3.3 设置结构模拟材料属性 330
10.3.4 模拟前处理网格划分，求解设置并求解 332
10.3.5 保存模拟文件 338
10.4 基于ANSYS Workbench/CFX渡槽流固耦合分析 338
10.4.1 启动仿真系统 338
10.4.2 流场分析计算 340
10.4.3 结构分析实现过程 348
第11章 基于ANSYS CFX平台带消能池的多股多层消能数值模拟分析 353
11.1 消能建筑物简介将其仿真基本理论 353
11.1.1 泄水建筑物下游水流的特点及消能形式 353
11.1.2 消力池模拟模型简介 355
11.2 模拟对象简介 357
11.3 基于ANSYS CFX平台带消能池的多股多层消能数值模拟 358
11.3.1 创建网格模型 358
11.3.2 创建流场模型 361
11.3.3 求解器控制设置 372
11.3.4 流固双向耦合计算与后处理 373
第12章 水轮机整机全流道CFD计算仿真 376
12.1 混流水轮机CFD基础 376
12.1.1 水轮机CFD计算模型简介 376
12.1.2 流动基本方程 377
12.1.3 湍流模型 378
12.1.4 离散方法及压力—速度耦合 378
12.1.5 定义边界条件 379
12.1.6 仿真中几个关键问题的处理 380
12.2 混流水轮机整机全流道几何模型介绍 382
12.3 基于ANSYS CFX混流水轮机整机全流道CFD模拟分析 383
12.3.1 流道网格划分 383
12.3.2 建立流场仿真模型 385
12.3.3 查看结果与后处理 395
第13章 基于ANSYS Fluent平台下尾水管内流场仿真分析 397
13.1 尾水管物理模型及其流动特征简介 397
13.2 尾水管内流场仿真分析数学模型 399
13.3 尾水管简介及模拟对象描述 400
13.4 尾水管内流场仿真分析实现过程 401
13.4.1 基于ANSYS Fluent 平台下尾水管内流场分析 401
13.4.2 查看结果与后处理 415
第14章 混凝土拱坝热固耦合仿真分析 416
14.1 热固耦合仿真基础及其技术路线 416
14.2 模拟对象描述 419
14.3 基于ANSYS Workbench拱坝热固耦合仿真 419
14.3.1 热力学仿真过程 419
14.3.2 结构仿真过程 424
14.3.3 查看结果与后处理 426
14.4 基于ANSYS的拱坝热固耦合分析 428
14.4.1 热力学分析 428
14.4.2 结构应力分析 435
第15章 基于ANSYS Workbench和CFX平台水电站厂房通风仿真 440
15.1 水电站厂房的通风基本概述 440
15.1.1 通风基本概念 440
15.1.2 厂房通风分类及其基本简化方程 441
15.2 水电站厂房的通风模拟的数学模型介绍 444
15.2.1 单方程（Spalart-Allmaras）模型 444
15.2.2 对流传热传质模型 445
15.2.3 标准k-ε湍流模型简介 446
15.2.4 RNGk-ε湍流模型简介 446
15.3 水电站厂房的通风模拟的物理模型简介 447
15.4 基于ANSYS CFX平台水电站厂房通风仿真模拟实现过程 449
15.4.1 基于ANSYS Workbench平台建立网格模型 449
15.4.2 基于ANSYS CFX建立仿真模型 450
15.4.3 求解并查看结果 460
第16章 基于ANSYS经典平台模拟地下水渗流仿真 462
16.1 水工渗流场模拟基础 462
16.1.1 工程渗流力学简介 462
16.1.2 地下水渗流基本方程 463
16.1.3 地下水渗流方程定解条件 464
16.1.4 渗流力学有限元方程 465
16.1.5 土坝渗流计算方法 469
16.1.6 工程渗流场仿真的基础 471
16.1.7 工程渗流数学模型及其求解条件和ANSYS平台仿真渗流的简介 473
16.2 基于ANSYS平台水工渗流场模拟实例操作 474
16.2.1 图形用户界面（GUI）操作的模拟对象 474
16.2.2 建立渗流有限元模型 474
16.2.3 稳定渗流计算 480
16.3 基于ANSYS平台APDL土坝渗流模拟算例 486
16.3.1 模拟对象简介 486
16.3.2 模拟仿真准备工作 486
16.3.3 建模方法及其过程 486
16.3.4 定义材料参数 488
16.3.5 创建网格模型并添加初始边界 488
16.3.6 设置迭代次数 488
16.3.7 查看结果与处理 488
16.3.8 分析命令流与说明 490
第17章 坝后式水电站输水系统基于双向流固耦合的分析模拟 499
17.1 双向流固耦合理论基础 499
17.1.1 双向流固耦合固体基本方程 499
17.1.2 双向流固耦合流体理论基础 501
17.2 压力引水系统工作原理及其模拟对象 501
17.2.1 压力引水系统工作原理 501
17.2.2 压力引水系统模拟对象 501
17.3 基于ANSYS Workbench和CFX双向耦合实现过程 502
17.3.1 结构分析设置 502
17.3.2 流体分析设置 508
第18章 水电站建筑结构综合仿真分析 516
18.1 坝后式厂房概述 516
18.2 基于ANSYS CFX平台3台水轮机全流道流场模拟过程 520
18.2.1 启动仿真系统导入仿真几何模型 520
18.2.2 建立网格模型 521
18.2.3 建立流场仿真模型 522
18.2.4 求解模型并查看模拟结果 524
18.3 基于ANSYS Workbench水电站建筑结构仿真分析 526
18.3.1 添加结构仿真材料 526
18.3.2 建立网格模型 526
18.3.3 设置分析环境 528
18.3.4 添加荷载和边界条件 528
18.4 仿真求解和结果输出说明 529
第19章 ANSYS在水利水电工程上的二次开发及应用 530
19.1 ANSYS二次开发简介 530
19.1.1 参数化程序设计语言（APDL） 531
19.1.2 用户界面设计语言（UIDL） 532
19.1.3 用户程序特性（UPFs） 532
19.1.4 ANSYS数据接口 532
19.2 用户界面设计语言（UIDL）在水利工程中的应用 533
19.2.1 用户界面设计语言（UIDL）基本配置及其操作思路和步骤 533
19.2.2 水利水电工程仿真系统开发实例 534
19.3 基于参数化程序设计语言（APDL）拱坝的有限元分析 541
19.3.1 基于APDL的拱坝建模与分析方法 541
19.3.2 基于APDL的拱坝建模算例 541
19.4 基于参数化程序设计语言ANSYS拱坝体形优化 557
19.4.1 优化理论及其拱坝体形优化基础 557
19.4.2 拱坝体形优化的数学模型基础 558
19.4.3 拱坝体形优化的实现过程 562
19.4.4 基于ANSYS参数化设计语言（APDL）拱坝体型优化设计的命令流 564
参考文献 579