MOF界面重构方法在超高速运动中的应用

应用MFPPM (Multi-Fluid Parabolic Piecewise Method)方法进行超高速运动数值模拟时,由于其使用的 PPM(Parabolic Piecewise Method)方法通常采用几个过渡网格来描述间断面,使得界面分辨率不高。为了更精确地对界面进行描述,将MOF(Moment-of-Fluid)界面重构方法与具有自主知识产权的MFPPM程序相结合,并首次将MOF方法运用到超高速运动中,对瞬时起爆的TNT炸药内聚压缩不同形状（三角形、正方形、正五边形、正六边形）的气腔进行了数值模拟;分别对四种构型在t=3μs和t=6.5μs时的VOF和MOF结果进行了对比。结果表明：MOF方法不仅能有效地捕捉到超高速运动中的构型几何特征,且在界面处不需要多个网格进行过渡,提高了界面重构的精度和分辨率。本文研究为界面不稳定性等问题中的复杂界面重构提供了一种新的方法。     

时刻追踪多介质界面运动的动网格方法

在对可压缩多介质流动的数值模拟中,定义介质界面为一种内部边界,由网格的边组成,界面边两侧对应两种不同介质中的网格。通过求解Riemann问题追踪介质界面上网格节点的运动,同时采用局部重构的动网格技术处理介质界面的大变形问题,并将介质界面定义为网格变形边界,以防止该边界上网格体积为负。运用HLLC格式求解ALE方程组得到整个多介质流场的数值解。最后从几个多介质流模型的计算结果可以看出,本文的动网格方法是可行的,而且可以时刻追踪介质界面的运动状态。     

适应于界面大变形的高分辨率中心型ALE方法

针对基于积分形式的Euler方程组耦合质量组份模型方程而发展的多介质整体ALE方法耗散大的问题,采用基于微分形式的Euler方程组所发展的高分辨率界面反耗散的思想来控制界面处的数值耗散,发展了一种二维平面中积分意义下的耦合质量组份方程和体积组份方程的界面反耗散的高分辨率多介质中心型ALE方法,从而高分辨率地模拟大变形物质界面。     

在动网格上的多介质界面数值处理方法研究

运用动网格上的ALE方法对一维可压缩多介质Riemann问题进行求解,在处理介质界面上的数值通量时提出了3种不同的数值方法：Lagrange方法、GFM和HLLC方法,并且对这3种方法的数值结果进行了比较,认为GFM方法和HLLC方法在介质界面上出现大压力梯度时能够明显消除界面上密度的非物理震荡,提高介质界面上数值解的精度.     

一种基于几何重构的Youngs-VOF耦合水平集追踪方法

针对界面追踪方法中拉格朗日方法和欧拉--拉格朗日方法计算效率低、不适用大变形、不能应用于三维数值计算模型等问题,研究了一种效率高、界面清晰、适用于三维模型的计算气液两相界面迁移特性的欧拉运动界面追踪方法,该方法将\"米\"状相邻单元Youngs方法用于运动界面重构,将Youngs-VOF和水平集通过几何方法耦合,提高运动界面精度,克服了VOF和水平集方法存在的缺陷,避免了利用高阶导数本身的稳定性去求解水平集对流方程和距离函数方程.\"米\"状相邻单元Youngs方法避免了数值耗散、数值色散性以及非线性效应引起的捕捉界面模糊的情况.Youngs-VOF耦合水平集方法既保证了计算界面时的稳定性,与拉格朗日方法相比又提高了计算效率.利用Youngs-VOF耦合水平集方法与VOF方法对单个气泡在水中上升过程数值计算与实验对比并对经典剪切流场中圆形运动界面模型的数值计算,验证了Youngs-VOF耦合水平集方法的有效性并比VOF方法捕捉界面更清晰、锐利;通过对溃坝--自由表面流动过程数值计算并与实验进行对比,验证了Youngs-VOF耦合水平集方法的稳定性以及对三维数值模型的适用性.      

一种基于几何重构的Youngs-VOF耦合水平集追踪方法

针对界面追踪方法中拉格朗日方法和欧拉--拉格朗日方法计算效率低、不适用大变形、不能应用于三维数值计算模型等问题,研究了一种效率高、界面清晰、适用于三维模型的计算气液两相界面迁移特性的欧拉运动界面追踪方法,该方法将     

多介质可压缩流体动力学界面捕捉方法

研究多介质流界面捕捉方法的主要目的是消除多介质流体在界面处压力、速度可能出现的非物理振荡现象 ,并通过流体动力学方程和界面捕捉方程的耦合 ,将多介质流体动力学计算形式上转化为单介质流体计算 ,从而可以采用对计算单介质有效的高精度计算方法来处理多介质流动问题。推广了Shyue界面捕捉和其等效方程的推导方法 ,给出的结果可以适用于具有状态方程 p =( ,e,a1 , ,an) +( ,e,b1 , ,bn)e的介质 ,并通过了数值试验验证。     

非结构动网格在多介质流体数值模拟中的应用

采用非结构动网格方法对含多介质的流场进行数值模拟.采用改进的弹簧方法来处理由于边界运动而产生的网格变形.采用基于格心的有限体积方法求解守恒型的ALE(Arbitrary Lagrangiall-Eulerian)方程,控制面通量的计算采用HLLC(Hartem,Lax,van Leer,Contact)方法,采用几何构造的方法使空间达到二阶精度,时间离散采用四阶Runge-Kutta方法.物质界面的处理采用虚拟流体方法.本文对含动边界的激波管、水下爆炸等流场进行数值模拟,取得较好的结果,不同时刻界面的位置和整个扩张过程被准确模拟.     

欧拉坐标系下具有锐利相界面的可压缩多介质流动数值方法研究

可压缩多介质流动问题的数值模拟在国防和工业领域内均具有重要的研究价值,诸如武器设计、爆炸安全防护等,通常具有大变形、高度非线性等特点,是一项极具挑战性的研究课题. 本文提出了一种基于 Euler 坐标系的非结构网格、具有锐利相界面的二维和三维守恒型多介质流动数值方法,可用于模拟可压缩流体和弹塑性固体在极端物理条件下的大变形动力学行为. 利用分片线性的水平集函数重构出单纯形网格内分段线性的相界面,并在混合网格内构建出具有多种介质的相界面几何结构,理论上可以处理全局任意种介质、局部 3 种介质的多介质流动问题. 利用传统的有限体积格式来计算单元边界上同种介质间的数值通量,并通过在相界面法向上求解局部一维多介质 Riemann 问题的精确解来计算不同介质间的数值通量,保证了相界面上的通量守恒. 提出了一种非结构网格上的单元聚合算法,消除了由于网格被相界面分割成较小碎片、违反 CFL 条件,进而可能带来数值不稳定的问题. 针对一维多介质 Riemann 问题、激波与气泡相互作用问题、浅埋爆炸问题、空中强爆炸冲击波和典型坑道内冲击波传播问题开展了数值模拟研究,将计算结果与相关的理论、实验结果进行比对,验证了数值方法的正确性和可靠性.     

水/气多介质问题的界面处理方法

针对不可压缩可压缩水/气多介质问题, 提出一种新的界面处理方法。在可压缩水/气界面处构造Riemann问题, 在水中设音速趋于无穷大, 求解Riemann问题得到不可压缩可压缩水/气界面处流体的准确流动状态; 然后以此状态结合GFM(ghost fluid method)方法分别为2种流体定义界面边界条件, 将两相流问题转化为单相流问题计算, 通过求解level set方程来跟踪界面的位置。对各种不同的界面边界条件定义方法进行了比较, 数值模拟结果表明算法能准确地捕捉各类间断的位置, 证明了算法的有效性和稳健性。     

地表垂直爆破震动速度的数值计算

针对爆破震动速度计算中存在的问题,提出了分两步计算的方法,即先计算爆炸近区由炸药爆炸引起的冲击压力,再计算远端震动区的质点震动速度。并对动力学计算中的阻尼问题进行了初步讨论。利用本文提出的方法对岩粉、水和空气三种不同间隔装药结构下的不同质点处的震动速度进行了计算,计算结果与实测结果吻合较好。岩粉间隔装药条件下的计算地表垂直震动速度最大,水间隔装药次之,空气间隔装药最小。     

An analysis of axisymmetric buckling and growth of circular-shaped delamination

The buckling and post-buckling of clamped circular plate subjected to distributed radial compressed load is presented by using the high-order perturbation analysis and shooting method. The sixth-order solution shows good agreement with the FEM results in [11]. The results in this paper are applied to investigate the buckling and growth of pressed thin film delamination in the film/substrate system. Under a certain residual pressure in the thin film, two characteristic blister radiiR _c andR _g, the critical radius and growing radius respectively, are obtained. The numerical result shows that the growth criterion of delamination in [9,10] is not perfect. In variant residual stress or interface toughness, the conditions of no growth, stable growth and unstable growth of the delamination are obtained by comparing the driving force at the interface crack tip with the interface toughness.This project is supported by National Natural Science Foundation of China.     

圆形脱层的轴对称屈曲及扩展分析

利用高阶摄动结合打靶法，分析了固支圆板在均匀径向力作用下的轴对称屈曲和过屈曲，所得结果与文（６）的ＦＥＭ结构吻合得很好，应用于薄膜－基底结构，研究了受压薄膜脱层的屈曲、扩展问题，得到了在一定的残余压应力作用下，脱层屈曲的临界尺寸Ｒｃ和扩展尺寸Ｒｇ。     

纤维段裂试验的界面端应力奇异性研究

纤维段裂试验是测定纤维复合材料界面剪切强度的细观实验方法之一,其试验结果与其他三种细观试验方法(纤维拔出、纤维压入和微珠脱粘)测得的结果各不相符,相差较大.针对该问题,仔细研究了纤维段裂试验过程,可发现如下两个问题,首先是试件中纤维断裂造成的界面端应力奇异性问题;其次是纤维断成临界长度时界面是否脱粘的问题.针对界面端应力奇异性问题,本文建立了界面端轴对称分析模型,运用渐近展开法,推导出求解界面端特征值的特征方程,并由此得到应力奇异性指数随Dundurs常数的变化规律;采用文献[5]所用试件的纤维/基体性能数据,计算出了界面端的应力奇异性指数,并与文献[7]得到的其他三种试验的界面端应力奇异性指数进行比较,发现纤维段裂试件也存在界面端应力奇异性,而且应力奇异性最强,也说明了与其他三种试验结果不具可比性.本文还对纤维断成临界长度时界面是否脱粘的问题,进行了讨论.