2021年12月26日，2015级博士生费晓明进行了毕业答辩，答辩题目为《基于光滑粒子流体动力学的城市地表降雨汇流模型研究》。此次答辩委员会由同济大学刘遂庆教授、上海水务规划设计研究院赵敏华高工、重庆大学柴宏祥教授、同济大学张海平教授、信昆仑教授以及陶涛教授组成。
答辩委员会与费晓明
内涝已成为最常见，影响最严重的城市灾害问题之一，经常伴随着人员伤亡和巨大的经济损失。其主要原因是因为城市化的进程，城市地表发生改变，地表径流量增加。地表径流量的计算一直是个难题。与传统的基于网格的方法相比，光滑粒子流体动力学（SPH）方法在计算中具有显著的优点，例如在控制方程中没有非线性项，不会引起数值振荡，质量完全守恒，对于干湿界面不需要额外的处理，这些特性很适合用来计算城市复杂地表的径流，但现有基于SPH方法的产汇流模型，因为变质量粒子假设的限制未能实现下渗过程的模拟，且现有计算过程中的重构法会带来计算效率和精度下降的问题。
费晓明同学基于SPH方法模拟地表产汇流过程开展了理论研究、模型构建及应用验证。通过理论研究，采用SPH方法求解浅水方程组，实现了对汇流过程的模拟；在此基础上，引入并改进了变质量粒子的算法，通过粒子初始高度的假设，重新推导变光滑长度的计算式，以及密度和动量方程求解，并通过霍顿模型计算下渗率，实现了耦合下渗过程的地表产汇流计算，解决了计算过程中干湿区域的转换问题；提出了基于“八向法”的无粒子区域处理方法，实现了无粒子区域的粒子补充的同时，提高了计算效率和精度，构建了完整的SPH产汇流模型。算例结果表明本模型出口流量和径流量的计算结果精度较高；新的无粒子区域处理方法可以有效补充初始流体粒子，为后续的降雨径流计算提供支持；和原有粒子重构方法相比，费晓明同学的方法用较少的粒子得到了更高的计算精度，在对比算例中，流速模拟值的标准误差从0.92降低至0.36。
在上述基础上，费晓明同学将模型应用于城市地表，初步验证了模型的可行性。将建筑物转化为模型中的封闭边界；雨水口转化为出口边界；结合Civil 3D和Dynamo软件的应用，将地表高程、粗糙度等数据转换成模型中的底部粒子；实现了对城市复杂地表的数据转换。计算结果表明该模型可以应用于城市地表，流量变化能够反应降雨的变化，可以灵敏地对地表干湿转换进行模拟；同时由于其自适应性，无需预先划分汇水区域以及设定水流路径和方向，提高了计算的可靠性。
费晓明同学的研究成果完善了城市地表降雨径流模拟的方法，有望改善和扩大现有产汇流模型在城市地表的使用，在解决计算速度的问题之后，可应用于城
市的雨洪实时预警，降低内涝灾害带来的人员伤亡和经济损失。
答辩内容
答辩委员会充分聆听费晓明同学的汇报，并对费晓明同学的研究表示充分肯定。
费晓明同学的研究以城市降雨径流的数值模拟方法为研究对象，对基于光滑粒子流体动力学方法（SPH）模拟城市地表降雨、产流、汇流等过程开展了理论研究、模型构建及应用验证。论文选题具有理论意义和应用价值。费晓明同学的课题研究基于SPH基本理论，研究提出了变质量粒子SPH求解浅水方程组的算法，实现了耦合下渗过程的地表产汇流计算；提出了基于“八分法”的无粒子区域处理方法，解决了计算过程中干湿区域的转换问题；在上述基础上，构建了完整的SPH产汇流模型，通过城市降雨径流算例，初步验证了模型的可行性。研究成果创新性强，完善了城市地表降雨径流模拟的方法，具有重要应用价值。答辩过程中，费晓明同学能正确回答答辩委员提出的问题。经答辩委员会无记名投票表决，一致同意通过论文答辩，并建议授予费晓明工学博士学位。
祝贺费晓明同学取得博士学位！
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