三圆形颗粒在通道中沉降运动的数值研究

主要应用浸没边界的格子玻尔兹曼方法（immersed boundary-lattice Boltzmann method, IB–LBM） 对处于不同倾斜角度通道内的三个刚体圆形颗粒在重力作用下下落的动力学特性进行了计算研究. 首先分析通道倾斜角度的影响, 结果显示当通道倾斜角处于59°90°的范围时会发生后一个颗粒超越前一个颗粒的现象. 其次, 研究了Re对颗粒沉降特性的影响, 结果表明Re 越大, 颗粒间发生聚集的时间越早. 研究还发现当3 个颗粒的直径大小不均匀时, 颗粒由大到小纵向依次排列, 或者出现中间小球直径较相邻两个小球直径大的排列情况, 均能促使颗粒加快聚集. 本文的研究结果可为环境工程及地质学中的颗粒沉降问题提供有价值的参考.     

优化形式的刚体系统动力学模拟

基于广义坐标形式的高斯最小拘束原理来研究刚体系统的动力学问题的优化方法. 相比目前动力学建模普遍采用的质点形式的高斯最小拘束原理,广义坐标形式的高斯最小拘束原理因对所选择的广义坐标没有要求,而使得建模过程更简单及具有更强的通用性. 本文分别建立了有约束和无约束条件下问题的优化动力学模型,对问题进行了动力学数值模拟,并与用拉格朗日微分方程处理的模型进行了对比分析,从而验证了所提方法的有效性.     

勒让德伪谱法求解三维刚体摆姿态运动最优控制问题

研究伪谱法求解三维刚体摆姿态运动最优控制问题. 针对三维刚体摆这类含有约束的力学模型,提出了基于勒让德伪谱法的三维刚体摆姿态最优控制方法. 利用插值逼近设计了三维刚体摆姿态运动最优控制算法,得到了三维刚体摆的姿态最优控制轨迹,并结合松弛参数来控制插值点的取值,寻找满足的可行解. 仿真结果表明,基于勒让德伪谱法的最优控制算法使得三维刚体摆能以较小的误差运动到期望的末端姿态,且计算速度快,能够获得精度较高的控制输入量.     

Numerical simulation of rarefied suspension sedimentation in a container

The evolution of the large-scale velocity perturbations in a homogeneous suspension sedimenting in a rectangular container with rigid horizontal walls and periodic conditions on the vertical boundaries is considered. Numerical simulation of the point-particle motion showed that the density and velocity fluctuations decrease with time. The perturbations are damped due to reshaping of the sedimentation front and the nonlinear interaction of the different modes.     

粘接-映射混合算法及其对颗粒材料中板的振动特性分析

结构与颗粒材料相互作用广泛存在于各工程领域,其研究过程中涉及的连续-离散耦合计算方法面对诸多挑战.本文提出了粘接-映射混合算法来研究连续体与离散介质耦合动力学问题.将连续体模型划分为内部区域及与颗粒接触的边界区域.边界区域采用粘接算法模拟连续体外部形状并使用高效的球形接触判断准则;提出一种包含Rayleigh阻尼映射的有限元映射质点弹簧算法来精确计算连续体内部区域内力和变形.二者相结合构成粘接-映射混合算法,并引入计算机集群和GPU(图形处理器)并行技术,对埋没于颗粒材料中受激振动固支方板的连续-离散耦合动力学问题进行了数值仿真研究.结果表明,粘接-映射混合算法有利于双层级并行算法的程序实现及优化,并在连续-离散耦合界面进行快速接触判断的同时实现对颗粒材料中方板位移、变形、振动形态等参数的研究.通过定幅扫频和定频变幅方式考察激振力频率和幅值对振动板非线性动力学行为的影响并观察到二倍周期现象,同时给出了该连续-离散耦合系统中颗粒体系的能量耗散特性.      

An IB-LBM study of continuous cell sorting in deterministic lateral displacement arrays

The deterministic lateral displacement(DLD) is an important method used to sort particles and cells of different sizes. In this paper, the flexible cell sorting with the DLD method is studied by using a numerical model based on the immersed boundary-lattice Boltzmann method(IB-LBM). In this model, the fluid motion is solved by the LBM, and the cell membrane–fluid interaction is modeled with the LBM.The proposed model is validated by simulating the rigid particle sorted with the DLD method, and the results are found in good agreement with those measured in experiments. We first study the effect of flexibility on a single cell and multiple cells continuously going through a DLD device. It is found that the cell flexibility can significantly affect the cell path,which means the flexibility could have significant effects on the continuous cell sorting by the DLD method. The sorting characteristics of white blood cells and red blood cells are further studied by varying the spatial distribution of cylinder arrays and the initial cell–cell distance. The numerical results indicate that a well concentrated cell sorting can be obtained under a proper arrangement of cylinder arrays and a large enough initial cell–cell distance.     

含铰接杆系结构几何非线性分析子结构方法

将细长杆系结构按长度方向划分为多个子结构,由于在子结构坐标系下的节点位移均是小位移,可以将子结构内部自由度凝聚到边界. 考虑到子结构端面在变形过程中保持为刚性截面,将端面节点自由度进一步凝聚到端面形心点,这样每一个子结构就减缩成形式上只有两个节点的广义梁单元,大大减缩了自由度. 大位移大转动是细长杆系结构产生几何非线性效应的一个重要原因,基于共旋坐标法,建立了随单元一起运动的随动坐标系,推导了子结构单元的节点力平衡方程及其切线刚度阵. 同时,考虑到工程机械中细长杆系结构含有相互铰接的刚体加强块,给出了非独立自由度节点力转换到独立参数下的广义节点力及其导数. 最后,通过履带式起重机的副臂工况算例,给出了其在不同载荷下的臂架结构位移,验证了方法的正确性.     

基于修正型罗德里格斯参数的三维刚体摆姿态控制

3D 刚体摆是研究地球静止轨道航天器的一个力学简化模型, 它绕一个固定、无摩擦的支点旋转, 具有3 个转动自由度. 文章给出基于修正型罗德里格斯(Rodrigues) 参数描述的3D 刚体摆的姿态动力学方程, 针对3D 刚体摆姿态和角速度稳定的非线性控制设计问题, 基于无源性控制理论利用能量法设计了3D 刚体摆的系统控制器, 并证明了系统满足无源性. 构造了系统的李雅普诺夫(Lyapunov) 函数, 利用能量法设计出3D 刚体摆的姿态控制律, 并由拉萨尔(LaSalle) 不变集原理证明了该控制律的渐近稳定性. 仿真实验给出了3D 刚体摆在倒立平衡位置的姿态和角速度的渐近稳定性, 仿真实验结果表明基于能量方法的3D 刚体摆姿态控制是有效的.     

圆盘近尾迹流场相关谱分析

对Re=22 000 时径厚比D/h=5 圆盘近尾迹开展大涡模拟数值研究. 通过对x/D=1, 2 和8 处脉动速度进行快速傅里叶变换（fast Fourier transformation, FFT）,发现3 个特征频率：斯特劳哈尔数St2=0.123 为自然脱落频率,与文献结果相符;较小频率St1=0.035,与回流区伸缩和剪切层附近涡旋脱落点的旋转相关;高频率St3=1.3～1.7 则与剪切层湍流结构相关. 通过分析截面r/D=2.8 圆周上两点间流向速度相关系数、相干谱和相位谱,发现相关系数受涡旋脱落影响出现以30°或45°为周期的正负波动,表明轴面上涡旋脱落点具有随机性.     

横截面为直角梯形的圆孔凹模板刚度理论

采用线弹性平板理论,对均匀、连续、各向同性材料制成的变横截面为直角梯形的圆孔凹模板刚度计算理论进行了研究. 首先建立力学和数学计算模型,其次,针对承受垂直冲裁力的圆形孔凹模板,建立了用挠度表示的三阶变系数常微分方程,并给出了新的边界条件,然后采用半逆解法求解,进行弯曲问题的挠度计算,进而确定刚度计算理论,最后进行实例分析.     

带棱角物体于斜面上静止释放瞬时将如何运动?1)

本文研究的问题是斜面上物体的运动,物体以一个棱角与斜面接触,且初始时刻物体处于静止状态。物体有滑动和转动(即物体发生倾倒)两个基本运动类型,总共有九个组合,本文预言了可以出现的运动形式,并给出了对应的发生条件。本问题分析的关键在于摩擦力和质量分布。物体质心如果处于支持力作用线靠近斜面顶部一侧,只能发生向上和向下无滑倾倒(即绕接触点的纯转动)、下滑上倾和下滑下倾运动。物体质心如果处于支持力作用线靠近斜面底部一侧,只能发生向下无滑倾倒、下滑下倾和下滑上倾运动。本问题在教学上很有价值,能给学生带来对科学研究的初步体验     

连续小推力作用下的共线平动点

研究了圆型限制性三体问题的平动点在连续小推力作用下的具体位置和动力学特征的变化. 研究表明,随着小推力方向在空间中的变化,平动点的具体位置也会发生相应的变化,文章详细阐述了这些变化的特征.针对航天任务中应用较多的共线平动点L1和L2,研究了其附近运动的稳定性状态,给出了线性条件稳定解,并在此基础上,构造了条件稳定解的高阶形式,将其结果与数值积分轨道进行了比对,两者符合得很好. 最后,进一步研究了共线平动点附近周期轨道族的演化状态,由于连续小推力引入的非对称性,周期轨道族会发生分岔现象.     

非淹没丁坝绕流的三维大涡模拟研究

采用动态亚格子模式和浸没边界法,对宽浅槽道中的丁坝群绕流的水动力学特性进行了三维大涡模拟研究. 利用丁坝绕流,试验中采用粒子图像测速仪(particle image velocimetry, PIV)测量的试验中自由水面处的时间平均流速和湍动强度数据对模型进行率定,结果表明计算结果与试验数据吻合良好. 丁坝长度与丁坝之间距离的比值L/D对丁坝周围的水流流动形式、湍流强度、涡量分布有显著影响. 在L保持不变并且L/D较大时,丁坝之间的距离D较小,这限制了混合层的发展,因此混合层中的湍动强度和涡量都较小;同时丁坝之间的回流区的流线形式也发生明显变化. 此外,还给出了涡体在丁坝坝头附近产生,发展并向下游输运的动态过程.     

SIMULATION OF SEDIMENTATION OF TWO CIRCULAR PARTICLES WITH COLLISION CONSIDERED IN VERTICAL CHANNEL

D2Q9 model of lattice Boltzmann equation method was used to simulate the sedimentation of two circular particles in a bounded two dimension channel. The characteristics of the sedimentation shows some periodicity for the Reynolds number Re chosen, 0.1-20. The larger the Reynolds number, the stronger the interaction between the two particles and the larger the transversal displacements. For large Re, the two particles leading alternately; for small Re, the initially leading particle will keep its leading position and for moderate Re, the initially upper particle will get leading position and keep it. The influence of the initially relative position of the two particles on sedimentation is small. The width of the channel won＇t change the characteristics of the sedimentation as a whole, but will change the period of the sedimentation. The wider the channel, the longer the period will be.     

幂律流体圆柱绕流的格子波尔兹曼模拟简

基于插值补充格子波尔兹曼方法和幂律流体的本构方程,建立了贴体坐标系下适用于幂律流体的格子波尔兹曼模型,模拟了幂律流体的圆柱绕流问题,采用非平衡外推格式处理圆柱表面的速度无滑移边界,利用应力积分法确定曳力系数和升力系数,并与基于标准的格子波尔兹曼方法和有限容积法获得的数值数据进行对比,吻合良好. 进行了网格无关性验证之后,分析了稳态流动时,不同雷诺数下幂律指数对于尾迹长度、分离角、圆柱表面黏度分布、表面压力系数及曳力系数的影响,以及非定常流动中,幂律指数对于流场、曳力系数、升力系数和斯特劳哈尔数的影响. 获得的变化规律与基于其他数值模拟方法得到的结果相一致,充分验证了模型的有效性和正确性. 结果表明：插值补充格子波尔兹曼方法可以用来模拟幂律流体在具有复杂边界流场内的流动问题,通过引入不同的非牛顿流体本构方程,该方法还可以进一步应用于其他类型的非牛顿流体研究中.     

Effect of the Hydrodynamic Interaction of a Large Number of Particles on Their Sedimentation Rate in a Viscous Fluid

The gravity-induced sedimentation of a large number of identical spherical particles in a viscous fluid is considered. The hydrodynamic interaction of all the particles is taken into account. The problem is modeled numerically for random locations of 1–100 particles forming different configurations. A dependence of the mean sedimentation rate on the particle number and concentration in the cloud is obtained and compared with previous results.