三维数值流形方法的理论研究

在二维数值流形方法的基础上,对三维数值流形进行了理论研究．研究了三维覆盖位移函数,进行了三维数值流形的力学分析,给出了三维流形单元的刚度矩阵,详细推导了三维数值流形的Hammer积分及剖分规则,系统地研究三维数值流形的理论体系与数值实现方法．作为数值算例,给出了相应的悬臂梁的计算结果,计算结果表明算法的精度和计算效益较高．     

圆柱振荡绕流的三维不稳定性研究

通过数值求解三维不可压缩Navier-Stokes方程,研究了振荡圆柱绕流的旋涡不稳定性.研究表明,在一定的参数范围内,由于旋涡不稳定性,振荡流动由二维演化成三维流动,并沿圆柱轴向形成交错排列的三维涡结构.数值计算合理地预测了三维涡结构的空间失稳波长,并与实验测试值相符很好.文中还进一步研究了圆柱的受力特性,通过求解Morison方程,计算了圆柱的阻力和惯性力特性,其计算结果与已有的实验数据相吻合.     

基于外场实验的风力机叶片三维效应研究

针对一台33 kW水平轴风电机组开展了外场实验,得到其叶片7个断面翼型的压力分布曲线;基于求解时均N-S方程对风轮进行三维数值模拟,以及将叶片各断面作为二维翼型进行数值计算,分别得到各断面翼型的压力分布曲线及升阻力系数．通过将外场实验、三维和二维数值计算所得压力分布曲线及升阻力系数进行对比分析,研究了三维效应对风力机气动性能的影响．研究表明,从叶尖到叶根各断面翼型的压差先增大后逐渐减小,叶片表面压力分布曲线比较明显地反映了从叶尖到叶根流动分离的变化;叶片表面压力分布的三维数值计算结果较二维计算结果更加接近于外场实验值;风力机叶片表面的三维流动对叶片的气动性能影响较大,在叶尖和叶根部分尤为突出.     

煤层压裂裂缝三维延伸模拟及产量预测研究

针对煤层气井的压裂特点和产出机理,综合应用流体力学、线弹性断裂力学、传热学、计算数学和软件工程等方面的知识,提出了煤层压裂裂缝三维延伸模型和产量动态预测模型,其中裂缝三维延伸模型考虑了煤层、上下遮挡层之间的地应力和岩石力学参数变化的影响,产量动态预测模型考虑了煤层气先解吸扩散后渗流入井的产出机理。在此基础上研制了煤层气井三维压裂优化设计软件,并通过实例计算验证了其实用性和可靠性。     

三维幂零李超代数的Yang-Baxter算子

在复数域C上,利用三维幂零李超代数的分类,通过计算刻画了三维幂零李超代数的Yang-Baxter算子.     

三维Poisson方程特征值的四种有限元解及比较

应用三维EQ1rot元、三维Crouzeix-Raviart元、八节点等参数元、四面体线性元计算三维Poisson方程的近似特征值.计算结果表明:三维EQ1rot元和三维Crouzeix-Raviart元特征值下逼近准确特征值,八节点等参数元、四面体线性元特征值上逼近准确特征值,三维EQr1ot元和三维Crouzeix-Raviart元外推特征值下逼近准确特征值.计算结果还表明三维Crouzeix-Raviart元是一种计算效率较高的非协调元.     

含表面裂纹三维体裂纹尖端应力应变场及应力强度因子计算

本文采用“局部-整体分析法”处理了含表面裂纹三维体断裂分析问题,获得了含表面裂纹三维体裂纹尖端应力应变场包括Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型的一般解。在此基础上构造了高阶三维奇异元,计算了含表面裂纹平板应力强度因子,探讨了不同板厚、不同板宽对应力强度因子的影响并给出相应的曲线。还在中型计算机上成功地进行了三维有限元断裂分析,并以较少的自由度获得较高的计算精度。     

三维油水运移聚集数值模拟的交替方向格式和分析

研究油气运移聚集史的数值模拟,其数学模型是三维非线性偏微分方程组的初进值问题．我们从实际出发,考虑了重力、毛管力和浮力的作用,同时考虑到三维问题大规模科学和工程计算的特征,提出对流动方程采用大步长的混合元法,而对三维饱和度方程的计算,采用一类交替方向特征有限元法．将其化为连续解三个一维问题,使工程数值计算成为可能．应用张量积计算．负模估计和先验估计理论,得到最佳阶Ｌ~２误差估计．     

三维快速多极边界元法分析地埋管群传热问题北大核心CSCD

基于三节点三角形线性单元,为克服单元跨叶子积分难题,将三维位势问题快速多极边界元法与几乎奇异积分的半解析算法相结合,实现了三维边界元法中几乎奇异积分的准确计算,该方法适用于U型地埋管薄体结构的换热分析.在制冷、制热两种工况下研究了U型地埋管壁厚对换热量的影响,并进一步分析了管群间的热相互作用.计算结果显示,当管壁导热系数一定时,管壁越厚,对管内流体和土壤之间的换热影响越大.当钻孔间距一定时,管群中埋管数量越多,热干扰现象越强烈,提高管群换热量的主要措施是降低管群间热干扰.因准确计算了几乎奇异积分,三维快速多极边界元法可以有效计算薄体和厚体耦合的三维热传导问题.该文方法和分析结果可为地埋管换热器系统的工程应用提供参考.     

三维可压缩Boltzmann模型及其在低Mach数湍流中的应用

改进了有限差分格子Boltzmann方法(FDLBM),以直接数值模拟气动噪声.基于LB求解器特性,采用动力学方程中的恒定对流速度以实施高阶迎风差分,提高了声波和湍流的分辨率.通过建立一个新的三维粒子模型,计算得到了任意比热容的三维可压缩Navier-Stokes系统.此外,利用Bhatnagar-Gross-Krook (BGK)碰撞算子,通过引入热流量修正,实现了Prandtl数的可变性.在激波管内弱声波以及伴随有温度梯度的Taylor-Couette层流的验证计算中,提出的新方法结果良好.此外也对NACA0012翼型绕流进行了三维模拟.其中,Reynolds数、Mach数和攻角分别取2× 105,8.75×10-2以及9°.计算发现,在机翼前缘附近的分离气流位置,以及表面压力波动强度的Maeh数依赖性方面,数值计算结果与实验结果相吻合.     

三维坐标转换的两种方法及其比较研究

针对7参数法三维坐标转换问题,对比分析了传统的基于泰勒级数展开的线性模型转换方法和基于罗德里格矩阵的三维坐标转换方法.由于在基于罗德里格矩阵的转换方法中,不需进行三角函数的计算,也不需迭代计算,因而其计算速度更快;而且其解决了线性模型对旋转角大小的限制,不仅适用于小角度的空间直角坐标转换,也能用于大角度的空间坐标转换.实验结果也表明基于罗德里格矩阵的转换方法具有更好的适用性和更高的精度.     

三维油水运移聚庥数值模拟的交替方向格式和分析

研究油气运移聚集史的数值模拟,其数学模型是三维非线性偏微分方程组的初边值问题,我们从实际出发,考虑了重力、毛管力浮力的作用,同时考虑到三维总理２大规模科学和工程计算的特征,提出对流动方程采用大步长的混合元法,而对三维饱和度方程的计算,采用一类交替方向特征有限元法,钭其化主国连续解三个一维问题,使工程数值计算成为可能,应用张量积计算,负模估计和先验估计理论,得到最佳阶Ｌ＾２误差估计。     

三维稳态对流扩散问题的无网格求解算法研究

无网格法是一种不需要生成网格就可模拟复杂形状流场计算的流体力学问题求解算法.为了提高基于Galerkin弱积分形式的无网格方法求解三维稳态对流扩散问题的计算效率,提出了在空间离散上采用基于凸多面体节点影响域的无网格形函数,并通过选取适当节点影响半径因子避免节点搜索问题,同时减少系统刚度矩阵带宽.计算中当节点影响因子为1.01时,无网格方法的形函数近似具有插值特性且本质边界条件的施加与有限元一样简单.三维立方体区域的稳态对流扩散数值算例表明:在保证计算精度的同时,采用凸多面体节点影响域的无网格方法比传统无网格方法最高可节省计算时间42%.因此从计算效率和精度考虑,在运用无网格方法求解三维问题时建议采用凸多面体节点影响域的无网格方法.     

基于自适应性的三维数字岩心构建方法

根据天然岩心压汞实验数据得到的孔隙大小分布规律,引入形状因子、配位数、孔喉比等微观参数,利用孔隙中轴线原则和岩心自适应性原则进行三维数字岩心构建,采用恒速驱替算法,运用超松弛迭代求解压力算法,计算了三维数字岩心的渗透率值.结果表明:模型计算出的岩心渗透率值与物理模拟实验渗透率值有较好的吻合,所构建三维数字岩心可以用于水驱聚驱模拟计算.     

三维可压缩Boltzmann模型及其在低Mach数湍流中的应用（英文）

改进了有限差分格子Boltzmann方法(FDLBM),以直接数值模拟气动噪声.基于LB求解器特性,采用动力学方程中的恒定对流速度以实施高阶迎风差分,提高了声波和湍流的分辨率.通过建立一个新的三维粒子模型,计算得到了任意比热容的三维可压缩Navier-Stokes系统.此外,利用Bhatnagar-Gross-Krook(BGK)碰撞算子,通过引入热流量修正,实现了Prandtl数的可变性.在激波管内弱声波以及伴随有温度梯度的Taylor-Couette层流的验证计算中,提出的新方法结果良好.此外也对NACA0012翼型绕流进行了三维模拟.其中,Reynolds数、Mach数和攻角分别取2×105,8.75×10-2以及9°.计算发现,在机翼前缘附近的分离气流位置,以及表面压力波动强度的Mach数依赖性方面,数值计算结果与实验结果相吻合.     

基于等效原理的波形钢腹板组合箱梁桥动力特性分析

为了简化波形钢腹板组合箱梁的三维有限元建模过程,通过刚度和位移等效的方法将三维波形钢腹板有限元模型简化为二维正交各向异性板的有限元模型.简化之后的有限元模型几何外形简单,单元和自由度的数量大幅降低,减少了计算时间,提高了计算效率.通过对比三维波形钢腹板组合箱梁有限元模型的自振频率计算结果、二维等效正交各向异性板组合箱梁有限元模型的自振频率计算结果以及实测频率值,发现三者吻合良好,验证了等效模型有限元建模方法的正确性和可靠性.研究结论可为波形钢腹板组合箱梁桥提供一种简单的有限元建模方法.     

电厂冷却水在湖泊和水库中热扩散过程的数学模拟

本文对电厂冷却水排入湖泊和水库后的热扩散过程进行了数学模拟,建立了三维扩散方程,给出了一维、二维和三维计算湖泊和水库中任意点任意时刻水温上升量的计算公式,并通过实例对一维情形的计算公式进行了验证,结果很好.     

突然扩张方管中三维湍流流动的数值模拟

本文运用SIMPLEC算法计算了突然扩张方管中的三维湍流流动,湍流模型采用k-ε模型。计算结果详细反映了突然扩张方管中三维湍流流场。从本文结果可以看出,由于突然扩张方管几何形状非轴对称,且尺寸有限,边壁对流场的作用是不可忽略的。以往文献中常见的二维突然扩张湍流的数值模拟结果与三维情况有较大差别,在靠近边壁的区域差别很大,因此对于突然扩张方管中湍流流动的数值模拟应用三维模拟。本文计算所得突然扩张截面后主回流区长度与实验结果接近。本文方法可为数值模拟突然扩张方管中湍流流场及各物理参数的分布提供有效工具。     

三维幂零流形上映射的 Nielsen 型数和同伦最小周期集

对于三维幂零流形上的所有映射, 给出了完整计算 Nielsen 型数 $NP_n(f)$ 和 $N\Phi_n(f)$ 的显式公式. 最一般的情形已被 Heath 和 Keppelmann 讨论过, 我们研究剩余的部分. 而在三维幂零流形映射的同伦最小周期集的研究中, 给出了三维幂零流形上所有映射的最小周期集的完整描述, 并包含了对Jezierski和Marzantowicz 结果的改正.     

无限样条边界元及其在结构—地基耦合中的应用*

本文基于三维弹性力学问题的Kelvin解在无穷远处的性态,构造了一种无限样条边界元.用半空间地表圆域受均压下的解析解,验证了这类单元良好的计算精度;以它与三维样条边界元相结合,分析了弹性半空间地基板.结果表明,这种模型在分析结构与地基耦合问题上不仅具有普适性而且自由度少,计算精度高.