激光加热金属板流固耦合数值模拟

 数值模拟研究了气流和激光辐照双重作用下的金属平板温度场。流体控制方程为3维雷诺平均N-S方程,固体控制方程为能量方程,湍流粘性系数求解使用k-ε两方程模型。采用流固耦合计算方法,使用动网格模型模拟气流的“冲刷效应”,较完整地模拟了激光辐照金属材料的物理变化过程,计算得到金属平板的温度分布及流场分布。结果表明:在较低气流速度及激光功率下,气流的冷却效应占主导地位;当气流速度和激光功率上升到一定程度后,气流的“冲刷效应”和冷却效应共同决定金属平板的温度分布。     

基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法的流固耦合算法研究

针对流固耦合问题,发展了基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法(immersed boundary method multi-relaxation-time lattice Boltzmann flux solver,IB-MRT-LBFS)的弱耦合算法.依据多尺度Chapman-Enskog展开,建立不可压宏观方程状态变量和通量与格子玻尔兹曼方程中粒子密度分布函数之间的关系;采用强制浸入边界法处理流固界面使固壁表面满足无滑移边界条件,根据修正的速度求解动量方程力源项;结构运动方程采用四阶龙格-库塔法求解.格子模型与浸入边界法的引入使流固耦合计算可以在笛卡尔网格下进行,无需生成贴体网格及运用动网格技术,简化了计算过程.数值模拟了单圆柱横向涡激振动、单圆柱及串列双圆柱双自由度涡激振动问题.结果表明,IB-MRT-LBFS能够准确预测圆柱涡激振动的锁定区间、振动响应、受力情况以及捕捉尾流场结构形态,验证了该算法在求解流固耦合问题的有效性和可行性.     

高速气流作用下激光加热金属平板数值模拟

数值模拟研究了高速气流作用下激光加热金属平板温度场。流体控制方程为三维雷诺平均Navier-Stokes方程,固体控制方程为能量方程,湍流粘性系数求解使用k-ε两方程模型。采用流固耦合计算方法,使用两相流模型模拟气流对烧蚀物的剥蚀,较完整地模拟了激光辐照金属材料的物理变化过程,计算得到了不同气流速度下金属平板的温度分布以及烧蚀形貌。分别使用两相流方法和动网格方法对高速气流作用下激光对金属板的烧蚀效应进行了计算,结果表明,两相流方法与动网格方法都能较好地模拟高速气流作用下激光加热金属平板的温度响应,由于两相流方法能够较全面地模拟对流换热、熔化与凝固过程以及金属液体在气流冲刷下的动力学过程,因此能获得比动网格方法更为合理的物理图像。     

三维机翼跨音速颤振的分布式并行计算

以多台微机组成分布式计算系统,利用无限插值方法(TFI)生成三维多块贴体运动网格,以Navier Stokes方程为控制方程,求解三维机翼的跨音速非定常气动力,并与颤振方程耦合迭代计算,求解机翼广义位移响应的时间历程,根据广义位移的时间历程的衰减、等幅和发散振荡等情况确定机翼跨音速颤振临界条件.通过算例验证,计算结果与实验结果和理论分析相吻合.     

基于有限体积方法的复合材料固化过程模拟

传热与固化过程的耦合作用在复合材料成型工艺中具有重要影响。本文基于非结构化网格有限体积法提出一种解决结构形式复杂的复合材料成型过程中各向异性非稳态导热与固化反应动力学耦合问题的算法。各向异性复合材料的导热控制方程空间项采用非结构化网格有限体积法离散,时间项采用欧拉隐格式求解。固化动力学方程采用了欧拉显格式计算,并通过固化反应速率计算出能量方程的热源,同时根据温度分布及其变化更新固化反应速率,实现导热与固化反应的双向耦合。最后,通过文献中的几个经典算例验证了本文方法的正确性和可靠性,同时也表明本文方法可以处理复杂结构形式的复合材料成型过程的传热与化学反应的耦合模拟问题。     

用射线踪迹法解黑表面矩形介质耦合换热

本文用射线踪迹-节点分析法研究了二维黑体表面矩形、各向同性散射半透明介质内辐射与导热瞬态耦合换热。采用全隐格式的有限差分法离散二维瞬态微分能量方程,用辐射传递系数来表示辐射源项,结合谱带模型并采用射线踪迹法求解辐射传递系数。采用Patankar线性化方法将辐射源项及不透明边界条件线性化,并采用附加源项法处理边界条件,运用ADI方法求解名以上的线性化方程组,从而解得二维矩形介质内的瞬态温度分布。     

利用N-S方程模拟机翼气动弹性的一种计算方法

利用一种双时间方法求解三维非定常N-S方程,得到与任意非定常运动对应的气动力,在求解非定常气动力的同时,在时间域内用二阶龙格 库塔方法求解机翼弹性运动方程,从而模拟粘性流动中的气动弹性全过程.为保证网格生成效率,采用无限插值理论生成O-H型代数网格,考虑了机翼变形时的网格生成问题,并得到计算结果.     

钻井液径向温度梯度与轴向导热对井筒温度分布影响

本文基于井筒与地层间能量平衡原理, 将井筒钻井液划分成不同径向单元网格, 建立了考虑径向温度梯度条件下钻井液层间温度模型; 同时引入钻井液轴向导热项, 建立了钻井液轴向导热温度模型, 将数学模型应用隐式有限差分法离散与求解. 计算结果表明: 钻井液径向温度梯度对井筒径向与轴向温度产生的误差分别为0.15 ℃和0.2 ℃左右; 而钻井液轴向导热对井筒温度分布几乎不产生影响. 因此, 通过建立的数学模型进行系统分析表明, 在建立井筒-地层耦合瞬态传热模型时可忽略两者对井筒温度分布的影响. 基于数学建模方法验证了以前学者模型假设条件的正确性, 为油气井与地热井井下温度分布规律深入研究奠定了可靠的理论基础. 关键词： 径向温度梯度 轴向导热 井筒温度 瞬态传热模型     

基于CFD/CSD的舵面控制气动弹性数值模拟方法

在动态网格上通过耦合求解流动控制方程和结构动力学方程, 发展了一种舵面控制下飞行器运动响应过程中气动弹性数值模拟研究方法.流动控制方程采用N-S方程, 结构动力学采用线性模态叠加方法, 其中流动控制方程空间离散采用基于非结构网格的有限体积方法, 对流通量采用计算HLLC格式, 非定常时间离散采用基于LU-SGS的双时间步长方法.模拟中, 气动运动和结构变形在双时间步长方法推进过程中采用改进松耦合方法, 气动网格与结构网格之间信息交换采用无限平板样条法实现, 飞行器的运动和变形采用基于重叠网格和Delaunay图映射变形网格相结合的方法进行处理.采用多个考核算例对发展的数值方法进行考核验证, 结果表明该方法可以高效精确模拟舵面开环控制下飞行器运动响应过程中的气动弹性特性.      

三维小空化数空泡流数值方法

采用均质平衡流空泡模型,引入基于求解液体质量份数输运方程的空泡流模型,提出新的压力密度耦合的压缩性方法和控制气液两相转换的源项,求解汽水混合介质的RANS方程和带低雷诺数修正的k-ε模型,实现了小空化数(σ=0.2~0.01)下水下航行体的空泡流数值模拟.得到清晰的空泡形态特征与内部结构,以及空泡长度和最大直径随空化数的变化规律,给出航行体运动阻力系数与空化数之间的变化关系.将计算结果与解析结果及实验数据进行比较表明,该方法保证了极小空化数下自然空泡流计算的稳定性与收敛性,提高了空泡形态特性的预报精度.     

基于FW-H方程的Hartmann哨辐射声场数值研究*

该文基于声类比法,通过求解FW-H方程,对不同喷口与谐振腔位置关系的Hartmann哨的声场分布进行了分析,计算了不同位置关系的Hartmann哨的声指向性。得到了以下结论:喷口与谐振腔位置关系对Hartmann哨的发声基频几乎不产生影响。对称位置关系的Hartmann哨的声场呈对称趋势,且在垂直于喷流方向上达到最大;非对称位置关系的Hartmann哨不再呈现对称趋势。Hartmann哨的最大声压级随着偏离对称位置的距离的增加有小幅增加,最大声压级出现的方向向着谐振腔方向移动。     

非紧凑低马赫数运动边界散射流动噪声的预测

提出了一种求解非紧凑低马赫数运动边界散射流动诱发噪声的预测方法。该方法首先基于运动坐标系下的连续性方程和动量方程推导得到该坐标系下的波动方程及其积分解,然后在该坐标系下采用边界元方法求解得到非紧凑运动边界表面的声压,最后将求解得到的壁面声压回代到静止或运动坐标系下的积分方程中实现对远场噪声的预测。推导得到的积分方程适用于流体与飞机机身、高速列车车身及旋转叶片等非紧凑结构边界作用诱发噪声的预测。     

浅谈物理学中的类比法

本文从不同的角度阐述了类比法在物理学中的运用。     

用等效网络方法求均匀弹簧纵振动的本征频率

利用机电类比方法导出了均匀质量弹簧在几种特定边界条件下的本征频率方程,并给出了相应的本征频率公式。体现了等效网络理论分析机械振动问题的优越性。     

轴对称回转体瞬态温度场边界元分析

本文从三维瞬态势问题的边界积分方程及基本解出发,推导出轴对称势问题的边界积分方程及基本解,然后离散形成边界元方程,在此基础上对若干瞬态温度场数值例进行了分析计算,结果表明推导出的方法是可行的,并具有较高的精度和稳定性,能应用于工程中复杂的轴对称回转体的瞬态温度场分析。     

流体动力学相似模型计算弱简谐电场中的基态氦原子

采用基于Schrödinger方程的流体动力学相似模型的变分微扰法计算了弱时间简谐电场中基态氦原子的扰动波函数、极化率和第一共振频率,并将计算值与实验值进行了比较。     

Numerical simulation of tonal fan noise of computers and air conditioning systems

Current approaches to fan noise simulation are mainly based on the Lighthill equation and socalled aeroacoustic analogy, which are also based on the transformed Lighthill equation, such as the wellknown FW-H equation or the Kirchhoff theorem. A disadvantage of such methods leading to significant modeling errors is associated with incorrect solution of the decomposition problem, i.e., separation of acoustic and vortex (pseudosound) modes in the area of the oscillation source. In this paper, we propose a method for tonal noise simulation based on the mesh solution of the Helmholtz equation for the Fourier transform of pressure perturbation with boundary conditions in the form of the complex impedance. A noise source is placed on the surface surrounding each fan rotor. The acoustic fan power is determined by the acoustic-vortex method, which ensures more accurate decomposition and determination of the pressure pulsation amplitudes in the near field of the fan.     

Transverse Vibration and Stability Analysis of Circular Plate Subjected to Follower Force and Thermal Load

Transverse vibration and stability analysis of circular plate subjected to follower force and thermal load are analyzed . B ased on the thin plate theory in involving the variable temperature, the differential equation of transverse vibration for the axisymmetric circular plate subjected to follower force and thermal load is established. Then, the differential equation of vibration and corresponding boundary conditions are discretized by the differential quadrature method. Meanwhile, the generalized eigenvalue under three different boundary conditions are calculated. In this case, the change curve of the first order dimensionless complex frequency of the circular plate subjected to the follower force in the different conditions with the variable temperature coefficient and temperature load is analyzed. The stability and corresponding critical loads of the circular plate subjected to follower force and thermal load with simply supported edge, clamped edge and free edge are discussed. The results provide theoretical basis for improving the dynamic stability of the circular plate.     

浅谈物理学研究和应用中的类比法

在物理学的方法论中，类比法是一种逻辑思维方法，也是一种重要的创新思维方式．本文根据其原则介绍了类比法在以下四个方面的运用：物理学研究、物理模型和概念提出、建立物理理论、物理教学．     

对感生电场计算方法的探讨

对于感生电场的计算问题,在大学电磁学教材中一般都是利用反证法证明螺线管管内外的E感线都是与螺线管轴线相垂直的同心圆.笔者在此利用解析法和类比法两种方法来证明螺线管管内外的E感线都是与螺线管轴线相垂直的同心圆,并在此基础上计算了E感的大小,以供教学参考.