近边界三维水下爆炸气泡动态特性研究

模拟了近壁、近自由面的水下爆炸气泡的非线性动态特性,假定水下爆炸气泡脉动阶段的流场是无旋、不可压缩的,采用高阶曲面三角形单元离散三维气泡表面,用边界积分法求解气泡的运动,在计算奇异积分时通过重新构造双层位势的主值积分消除双层奇异积分的奇异性,得到更精确的结果,并通过合理的加权方法精确的求解边界面上各节点的真实速度,结合弹性网格技术（elastic mesh technique, EMT）得到优化速度,在整个模拟过程中不需要采用数值光顺。将本文的三维模型与轴对称模型进行的对比分析表明,两种模型计算结果吻合很好,并用三维模型模拟了气泡与自由表面及圆筒的相互作用,水下爆炸气泡在自由表面及圆筒的联合作用下呈现出强非线性。     

复杂边界附近气泡的动态特性研究

本文假设气泡周围流场为无粘、无旋、不可压缩的理想流体,基于势流理论,运用边界元法模拟近边界水下爆炸气泡的动力学特征,建立气泡、壁面以及自由面三者之间复杂耦合动力学模型,在气泡运动模拟过程中引入数值光顺技术及弹性网格技术(EMT),避免因网格扭曲而导致的数值发散,开发相应的三维计算程序,并与自由表面附近气泡运动的实验数据进行对比分析,计算结果表明本文的计算方法及程序具有较高的精度.在此基础上,用本文开发的三维程序模拟了单个及多个气泡与自由表面及圆筒等复杂边界的相互作用,其中包括水面漂浮结构和水下结构,气泡在自由表面及结构的联合作用下呈现出强非线性.本主文旨在为相关复杂边界附近气泡动力学特性研究提供参考.     

利用边界积分法计算截面图形的几何性质

利用边界积分法计算截面图形的几何性质刘子顺，乐美峰（西安交通大学工程力学系西安７１００４９）在结构分析和应力分析中需计算构件截面的几何性质（面积、静矩、惯性矩等），对于工程上经常遇到一些形状比较复杂的截面，传统方法计算比较繁琐。本文提出一种计算截面图...     

边界积分方程法在动态断裂力学中的数值计算研究

本文将D.Nardini和C.A.Brebbia所提出的一种动态边界积分方程新解法应用于动态断裂力学数值计算，对数值实现问题，尤其对数值稳定性及精度问题进行了详细研究，得到了能保证数值稳定性的数值解法，给出了动态断裂力学计算实例，同己有的数值结果比较，表明本文的计算是成功的。     

水中高压脉动气泡与浮体流固耦合特性研究

本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究, 采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟, 利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度, 同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性. 实验中, 采用水下放电技术生成气泡, 使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应. 首先对比数值与实验结果, 二者吻合良好, 验证了数值计算模型的有效性和正确性. 然后通过对气泡与浮体的无量纲距离$gamma_{s} $ (气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现: (1) $gamma_{s} $从0.2增大至2时, 气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究, 采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟, 利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度, 同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性. 实验中, 采用水下放电技术生成气泡, 使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应. 首先对比数值与实验结果, 二者吻合良好, 验证了数值计算模型的有效性和正确性. 然后通过对气泡与浮体的无量纲距离$gamma_{s} $ (气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现: (1) $gamma_{s} $从0.2增大至2时, 气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究, 采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟, 利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度, 同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性. 实验中, 采用水下放电技术生成气泡, 使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应. 首先对比数值与实验结果, 二者吻合良好, 验证了数值计算模型的有效性和正确性. 然后通过对气泡与浮体的无量纲距离$gamma_{s} $ (气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现: (1) $gamma_{s} $从0.2增大至2时, 气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究,采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟,利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度,同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性.实验中,采用水下放电技术生成气泡,使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应.首先对比数值与实验结果,二者吻合良好,验证了数值计算模型的有效性和正确性.然后通过对气泡与浮体的无量纲距离γ_s(气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现:(1)γ_s从0.2增大至2时,气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(0.2≤γ_s≤0.3)、接触射流(0.4≤γ_s≤0.6)、非接触射流(0.7≤γ_s≤1)、对射流(1.1≤γ_s≤1.3)和反射流(1.4≤γ_s≤2)等5种典型射流模式;(2)正射流速度随γ_s先增大后减小再增大,并且当0.7≤γ_s≤0.9时,速度可达约1000 m/s;反射流速度随γ_s增大而增大;(3)在本文实验条件下,γ_s1.5时浮体对气泡的Bjerknes吸引力强于自由液面的Bjerknes排斥力导致气泡在坍塌阶段向浮体迁移;当γ_s≥1.5时自由液面对气泡的排斥作用更强,气泡在坍塌阶段远离自由液面.     

超声波作用下气泡的非线性振动

气泡广泛存在于自然界和工程应用中, 由于其往往不是孤立存在的, 在多气泡耦合作用下会出现更为复杂有趣的气泡动力学现象和射流行为. 近刚性边界水下脉动气泡在坍塌过程中会产生朝向结构的高速射流, 严重威胁结构的局部强度安全. 通过多气泡耦合作用能够调控气泡的坍塌模式、射流方向和砰击速度, 其中异相双气泡耦合作用下形成的射流增强效应有着广阔的应用前景. 本文联合气泡动力学理论和边界积分法, 建立了近刚性壁面异相双气泡非线性耦合数值模型, 能够准确模拟气泡的初生、膨胀、坍塌和射流等动力学行为, 并预报双气泡的耦合方式和坍塌模式, 数值计算结果很好地再现了实验中的气泡动力学行为, 验证了模型的有效性. 然后, 系统研究了较大参数空间内的双气泡耦合动力学行为, 着重分析了射流增强效应, 并借助压力场、速度场等信息揭示了其中的力学机理. 研究发现, 气泡延迟生成时间τ极大地影响了双气泡耦合射流增强程度, 近壁面气泡的射流砰击速度随τ的增大先增大再减小, 在τ = 2附近达到极大值, 并得到了有效的射流增强参数区间. 旨在为多发水下爆炸武器的攻击策略及其它多气泡相关领域提供理论支撑.     

应用边界积分法求圆形夹杂问题的解析解

边界元方法作为一种数值方法, 在各种科学工程问题中得到了广泛的应用.本文参考了边界元法的求解思路, 从Somigliana等式出发, 利用格林函数性质,得到了一种边界积分法, 使之可以用来寻求弹性问题的解析解.此边界积分法也可以从Betti互易定理得到. 应用此新方法, 求解了圆形夹杂问题.首先设定夹杂与基体之间完美连接, 将界面处的位移与应力按照傅里叶级数展开,根据问题的对称性与三角函数的正交性来简化假设, 减少待定系数的个数.其次选择合适的试函数(试函数满足位移单值条件以及无体力的线弹性力学问题的控制方程),应用边界积分法, 求得界面处的位移与应力的值. 然后再求解域内位移与应力.得到了问题的精确解析解, 当夹杂弹性模量为零或趋向于无穷大时,退化为圆孔或刚性夹杂问题的解析解. 求解过程表明,若问题的求解区域包含无穷远处时, 所取的试函数应满足无穷远处的边界条件.若求解区域包含坐标原点, 试函数在原点处位移与应力应是有限的.结果表明了此方法的有效性.     

应用边界积分法求圆形夹杂问题的解析解

边界元方法作为一种数值方法,在各种科学工程问题中得到了广泛的应用.本文参考了边界元法的求解思路,从Somigliana等式出发,利用格林函数性质,得到了一种边界积分法,使之可以用来寻求弹性问题的解析解.此边界积分法也可以从Betti互易定理得到.应用此新方法,求解了圆形夹杂问题.首先设定夹杂与基体之间完美连接,将界面处...     

结构动态载荷识别的精细逐步积分法

对比例阻尼系统给出了基于精细逐步积分法的动态载荷识别方法。首先将系统进行模态坐标变换得到无耦合运动方程 ,然后应用精细逐步积分法构造一种高效精确的载荷识别公式 ,再由量测到的结构动态响应求出动态力的时间历程。数值算例验证了本方法的识别精度是好的     

角点悬空弯曲厚矩形板的边界积分法

在边界积分法中引用了拟基本系统矩形板,在该拟基本系统与实际系统之间应用功的互等定理,得到一挠曲面方程的积分表达式,只要对此表达式进行极简单的积分便可得到该挠曲面方程,这比直接求解Reissner挠度控制方程要简单,边界积分法的求解过程概念清晰,计算伊始便给出了挠曲面方程的总体表达式.以Reissner厚板理论为基础,应用边界积分法研究了角点悬空厚矩形板的弯曲问题,给出了在集中荷载作用下两邻边固定另两邻边自由且角点悬空弯曲厚矩形板的封闭解析解,并给出了相应的数据和图表以供工程上的应用和参考.     

Fusion dynamics of underwater explosion bubbles

Fusion of bubbles is a common and significant phenomenon in the nature. In this work, the potential flow theory and the boundary integral method are employed to simulate the fusion of underwater explosion bubbles. Based on the numerical and experimental results in the literature, a three-dimensional model of bubble fusion is established. A good agreement is shown between the numerical results and experimental data. Influences of characteristic parameters such as distance and depth are specifically investigated by using the developed three-dimensional program, resulting in favorable curves and conclusions. This work provides references for the relevant research on fusion mechanics and dynamic characteristics of bubbles.     

The free bending vibration of cylindrical tank partially filled with liquid and submerged in water

This paper studies the free bending vibration of cylindrical tank partially filled with liquid and submerged in water. The depths of liquid and water may be completely arbitrary. The exact calculating formulae of mode shape functions and inherent frequencies are deduced. The results can be gained by means of computer. The analysis shows that the effect of liquid and water on vibration of cylindrical tank is respectively equivalent to a generalized distributive mass attached to the tank.     

Numerical simulation of motion and deformation of ring bubble along body surface

Numerical simulation for fluid flow over an attached rigid body with a deformable ring bubble is analyzed based on the velocity potential theory together with the boundary element method （BEM）. The analysis is focused on the axisymmetric case. The bubble surface is treated as a well defined air-liquid interface and is tracked by a mixed Eulerian-Lagrangian method. The points of intersection between the bubble and body are treated, specially in the numerical procedure. The auxiliary function method is adopted to calculate the pressure on the body surface and in the flow field. The convergence study is undertaken to assess the developed numerical method and the computation code. Some case studies are undertaken in which the interactions between the bubble/body and the incoming flow field are simulated. The effects of various physical parameters on the interactions are investigated.     

A NUMERICAL METHOD FOR MODELLING THE MOTION OF A SPHERICAL BUBBLE

This paper presents a numerical method for predicting the motion of a spherical bubble close to a rigid structure. The velocity potential in the fluid due to the motin of the bubble is represented by a source and a dipole located at the centroid of the bubble. This leads to a coupled system of differential equations for the bubbble radius and the location of its centroid. This system of equations can be solved using an appropriate numerical scheme.     

水平均流中细管排放气泡的三维数值模拟

在液体为无粘不可压，流动有势和气体遵循完全气体绝热关系的假定下，本文应用边界积分方程方法数值模拟了水平均流中垂直细管排放气泡的三维动力学问题，边界采用高阶有限元表达。文中介绍了有关泡面法向矢量、切向速度、曲率和接触线等的计算技术。与已知解的比较，表明了这一数值方法的高精度和优越性。算例显示了水平均流对于气泡形状和体积的影响     

瞬态空化泡演变过程的数值模拟

采用边界积分方程方法，对无粘流体中三个空化泡以及自由面附近二个空化泡相互作用的演变过程进行了数值模拟。计算中边界用二阶有限元离散，影响系数矩阵非对角线元素用六点高斯数值积分方法计算，对第一类、第二类完全椭圆积分用高次多项式近似，对计算系数矩阵对角线元素中遇到的奇异积分进行了特殊处理。结果表明，在不同的给定参数下，空化泡的溃灭形态各异，柱状射流和环形射流都有可能发生，使空化泡演变成双泡或环形泡。     

两空泡运动特性研究

本文应用边界方法研究了两个相邻空泡的运动特性,得到了空泡的演化规律,以及空泡溃灭时的射流速度与溃灭时间的变化趋势,对于两个空泡之间的距离和半径比的影响进行了讨论。计算结果表明：不同大小的空泡在一起时则小泡会先溃灭,且人泡的存在时间与两泡的半径比成正比;大泡对小泡来说其作用相当于－固壁面,小泡会形成－指向大泡的溃灭射流。相同大小的空泡在一起溃灭时,会同时形成指向中间的射 流,与单空泡在固壁面附近的溃