梯度穿缝型双孔隙率多孔材料的吸声性能

在传统单一孔隙率多孔材料中引入宏观尺度的周期性梯度穿缝结构设计,构造出梯度穿缝型双孔隙率多孔材料,其包含多孔材料基体微孔尺度与穿缝尺度两个尺度。采用分层等效的理论建模方法,将复杂梯度渐变问题变为多层均匀等效层叠加问题。针对不同特征尺寸的多孔材料薄层,分别采用低、高两种渗透率对比度双孔隙率理论,给出了其等效密度和动态压缩系数,再应用传递矩阵方法得到了相邻薄层之间的声压和质点速度传递关系并求得其表面声阻抗,从而建立了梯度穿缝型双孔隙率多孔材料的吸声理论模型。发展了多尺度材料声学有限元数值模型,在所考虑的100~3000 Hz频段范围内数值模拟结果完全吻合理论模型结果。理论与模拟分析了多尺度结构参数对双孔隙率多孔材料吸声性能的影响,结果表明引入多尺度梯度结构设计能够显著提高单一孔隙率多孔材料的吸声性能,且穿缝尺度比穿缝梯度影响更为显著;精细数值模拟获得的声压和能量密度分布云图揭示了多尺度结构设计的吸声增强机制。该工作可用于指导双孔隙率多孔材料的多尺度结构设计,从而提高多孔材料的中低频吸声性能。      

激光辐照受拉铝板破坏行为的时空多尺度数值模拟

推导耦合过渡区内参变量信息交换的元/网格动量传递多尺度算法,建立离散元与有限元耦合时空多尺度计算模型,并应用于激光辐照下受拉铝板破坏行为的数值模拟中.通过对比有限元计算模型、空间多尺度计算模型与时空多尺度计算模型在激光辐照下受拉铝板破坏算例的模拟结果,验证离散元与有限元耦合时空多尺度计算模型的准确性和数值计算高效率优势.使用该多尺度计算模型从宏观和细观尺度对铝板破坏行为进行数值模拟,模拟结果与实验结果基本一致.     

有限尺度下弱相互作用费米气体的热力学性质

基于巨正则系综理论和数值模拟方法,研究有限尺度下弱相互作用费米气体的热力学性质,给出系统低温下的化学势、能量及热容量的解析式,分析弱相互作用、有限尺度效应对系统热力学性质的影响.研究表明,有限尺度和排斥相互作用增大了系统的化学势、能量,吸引相互作用减小了系统的化学势、能量.相互作用受到尺度的调制,尺度变大,相互作用影响变小,相互作用和尺度效应都受到温度的调制,温度升高,相互作用和尺度的影响减小.尺度和相互作用的一级修正对热容量无影响.     

三维材料微结构设计与数值模拟

为了研究材料细观尺度的力学性能与失效行为,达到对材料微结构的“性能导向型”设计与性能预测的目的,通过程序设计结合有限元数值模拟的方法实现多元多相异质体材料微观组织结构的计算机仿真、材料微结构的细观力学计算与虚拟失效分析.以材料微观组织结构计算机仿真软件ProDesign构造的多晶体材料与多晶体基复合材料微结构的代表性体积单元为基础,基于对商业有限元软件ABAQUS的二次开发,实现对材料微结构细观力学的数值计算,并根据数值模拟结果预测微结构的材料性能,识别“材料结构弱点”,评估异质体材料微结构内微裂纹的启裂 关键词： 材料微结构 数值模拟 各向异性 虚拟失效     

有限尺度下弱相互作用费米气体的热力学性质

基于巨正则系综理论和数值模拟方法，研究有限尺度下弱相互作用费米气体的热力学性质，给出系统低温下的化学势、能量及热容量的解析式，分析弱相互作用、有限尺度效应对系统热力学性质的影响.研究表明，有限尺度和排斥相互作用增大了系统的化学势、能量,吸引相互作用减小了系统的化学势、能量.相互作用受到尺度的调制，尺度变大，相互作用影响变小，相互作用和尺度效应都受到温度的调制，温度升高，相互作用和尺度的影响减小.尺度和相互作用的一级修正对热容量无影响.     

标量湍流的能量传输特性

应用直接数值模拟数据,从标量湍流传输的三波关系出发,进行湍流及标量湍流传输谱的多尺度分析,研究不同尺度间的能量传输性质,证实标量能量的传输与湍动能传输具有不同性质,大尺度速度脉动对标量传输有较大贡献,尤其是与标量小尺度脉动的相互作用,使标量模拟需要有比速度场更高的网格分辨率;并发现标量湍流的能量传输具有明显的非局部性;另外,定义了能量传输系数,发现在相同的Re数和Pe数条件下,标量湍流的对流惯性较速度脉动的惯性子区宽.     

快速动态自适应小波配点法

动态自适应多尺度小波配点法(AWCM)能有效地模拟具有间歇性的物理现象,此方法是近几年发展起来的非常新颖的数值计算方法。为了增强该方法识别与跟踪解的奇异性的能力,并提高数值计算稳定性与计算效率,将精细时程积分算法与之相结合形成了快速动态自适应多尺度小波配点法。为了实现这一算法,给出了构造动态自适应网格配点集的新方法,构建了以小波(或尺度函数)系数为变量的时程推进公式。通过求解一维Burgers方程,证明了方法具有更加良好的数值计算性质。     

周期孔洞区域中热力耦合问题的双尺度有限元计算

复合材料的研究中经常遇到具有周期孔洞结构的材料,由于区域的小周期性及剧烈振荡性,用传统的有限元计算方法来计算这些材料对应的问题时需要大量的计算机存储空间及计算时间.对这类材料的热力耦合问题给出了一种新型的高阶双尺度渐近解,得到了对应的均匀化常数、均匀化方程及对应的有限元算法.数值算例表明,周期单胞的局部结构对局部应力与应变有较大的影响.算法对数值模拟这类材料的力学行为是高效和可行的. 关键词： 双尺度方法 热力耦合 周期孔洞区域 有限元方法     

SOFC电化学性能的伸缩式投影Adams多尺度模拟

目前对SOFC的研究主要通过数值分析方法,由于传统宏观模型不能准确描述其内在机理,而细微尺度模拟则面临计算机内存开销巨大,CPU耗时过长的问题。因此本文提出一种用于模拟SOFC电化学性能的伸缩式投影Adams多尺度模拟方法,建立SOFC的系统模型,首次以多尺度的观点从介观尺度出发对SOFC电化学性能进行模拟。研究其各电化学性能参数之间的关系以及入口燃料/空气成分含量、SOFC工作温度、压力对电化学性能的影响,论证了该方法的有效性。     

数值模拟二维高速碰撞问题的拉格朗日任意三角形网格有限体积法

描述了一个数值模拟二维高速碰撞问题的拉格朗日任意三角形网格有限体积法,方法考虑了材料的弹性和塑性性质。文中给出两个计算例题。     

泡沫金属内相变材料融化的格子Boltzmann方法孔隙尺度模拟研究

在构建开孔泡沫金属二维几何结构模型的基础上,采用格子Boltzmann方法基于孔隙尺度对泡沫金属内融化传热及流体流动过程进行了数值模拟,并重点分析了Rayleigh数、孔隙率及孔密度等对融化相变传热过程的影响。与纯相变材料融化具有光滑、清晰的相变界面、融化沿着热流方向整体推进的特征所不同的是,在泡沫金属结构下相变材料的融化以金属骨架为中心产生并推进展开,在融化前沿形成融化区和非融化区交错分布的特征,数值模拟结果与文献实验观测结果一致。此外,数值模拟表明相变材料的融化率随着Rayleigh数的增大、泡沫金属孔隙率的减少及其孔密度的增大而增大。     

多孔介质中流体输运的孔尺度MD模拟

本文采用分子动力学(MD)方法对流体流过单个纳米尺度孔的过程进行数值模拟。纳米尺度孔是由两块平行的三氧化二铝平板构成的。通过对孔内每个水分子施加均匀的外力来驱动流体流动。分子之间的相互作用都采用12-6 L-J势能模型来描述。本文数值模拟了流体输运的孔尺度效应,分析了孔尺度对壁面速度是否存在滑移的影响,讨论了驱动力和通道尺度对滑移速度和壁面动力黏性系数的影响,模拟发现存在一临界尺度,它决定了是否存在滑移,还发现特定尺度下存在一临界驱动力,它决定了等效黏度的非牛顿流体特征。     

材料动态响应的多尺度数值模拟研究

冲击作用下材料的动态力学行为是工程力学、材料、武器物理和空间物理中的重要课题,其位错的产生和演化、绝热剪切带的形成、界面的冲击熔化和微层裂等,是我们研究的热点。以上材料的动力学效应,大都发源于原子尺度的微观缺陷,跨越了多个空间尺度和时间尺度,最后发展为宏观损伤效应。迄今为止,损伤形核、长大和汇合、界面的冲击熔化等效应的理论研究仍然存在许多空白。受限于现有实验技术,损伤从微观、细观至宏观尺寸的成核和演化等诸多中间环节均没有原位实验观测,这给加载过程中材料的动力学响应分析带来很大困难。因此,数值模拟研究材料微损伤演化是理解冲击作用下材料动力学行为的有效途径之一。     

基于铁性材料的微波器件及其仿真模拟

随着无线通讯技术的进步和发展,集成化、芯片化、阵列化的微波器件成为前沿发展方向.了解材料的基本物理性质并进行相关器件的设计仿真有助于促进对原子尺度到宏观器件性质的理解和预测,是推动微波技术发展的关键,也是信息科技发展中的重点.本文从微波器件的基本材料出发,重点介绍了铁磁、铁电以及多铁复合材料3类铁性材料的基本物理性质及其在微波器件中的应用,进而介绍了微波器件中的仿真模拟软件.     

微喷颗粒与气体混合过程的数值模拟研究

冲击波作用下金属与气体界面将发生微喷混合现象,即金属表面产生的微喷射物质在气体中的输运过程.提出采用散体颗粒分布代替微喷初始状态,基于气体-颗粒两相流模型对微喷混合现象进行了模拟研究.数值模拟给出了微喷混合的动力学演化过程,分析了初始气体压力和颗粒尺寸因素对混合层的影响规律;在数值模拟中发现了微喷颗粒的气动破碎现象,这可导致颗粒尺度明显减小,成为影响微喷混合演化性质的重要物理因素.本文模拟结果与相关实验结果取得一致,初步表明,气粒两相流模型是模拟微喷混合过程的一种有效方法.     

基于有限元模拟与数值计算的微电磁继电器结构设计与性质研究

运用ANSYS有限元模拟、Mathematica数值计算与OriginPro8.6图像处理等软件对多重弯曲的平面磁芯线圈电磁场分布以及活动电极在电磁场中所受电磁力情况进行仿真分析,从而合理设计励磁电流、活动电极材料、结构尺度、活动电极与固定电极的位置间距等.     

三维纳米多孔介质内速度分布规律研究

为揭示气体纳米尺度输运特性,本文采用四参数随机重构方法构造了三维不规则纳米多孔介质,借助格子玻尔兹曼方法从孔尺度数值模拟气体在重构纳米多孔结构内的滑移流动过程,分析了气体表观渗透率、滑移程度,以及纳米孔内气体速度概率密度分布规律。研究结果表明：纳米多孔介质表观渗透率随等效粒径增大而增大;主流方向气体速度概率密度分布曲线呈指数函数递减规律,递减趋势依赖于等效粒径大小;考虑滑移效应后纳米多孔材料内速度概率密度的分布范围变窄,速度分布的均匀性增强。     

高温辐射场作用下的原子过程

等离子体中辐射能量密度与物质能量密度的比值是区分等离子体原子过程性质的重要参量. 根据这个参量, 等离子体中的原子过程可分为碰撞占优和辐射占优两种典型类型. 数值模拟发现碰撞占优和辐射占优的原子过程有不同的性质: 碰撞占优的等离子体能够很快达到LTE状态; 辐射占优等离子体的束缚电子温度、电离度和自由电子温度存在不同的弛豫时间尺度, 存在某种形式的准平衡状态.     

湍流煤粉火焰中多相燃烧的跨尺度模拟方法及应用

通过"湍流涡团尺度"与"边界层反应尺度"的关联,建立了湍流煤粉火焰中多相燃烧的跨尺度模拟方法。该方法能够预报湍流脉动宏观规律对静止颗粒边界层内气相反应(如挥发分火焰、CO火焰)的影响。将该方法用于煤粉旋流燃烧数值模拟中,结果显示:与完全忽略边界层气相反应的单膜模型相比,跨尺度模拟的预报结果与Lockwood实验数据有更好的符合。     

基于原子轨道基的实时密度泛函理论:方法及应用

实时密度泛函理论是基于含时Kohn-Sham方程,从实空间实时模拟材料激发态性质的第一性原理计算方法.本文介绍如何利用基于数值原子轨道基的含时密度泛函理论和软件TDAP(Time Dependent Ab initio Package),研究凝聚态物质与光场之间的相互作用.通过引入电磁场的长度规范和速度规范,该方法的适用范围从低维结构拓展到固体材料,且不受微扰论的限制,实现了对大规模、真实凝聚态体系的动力学性质的精确模拟.文中以几个有代表性的工作为例,说明该方法对于研究量子系统中新奇的超快量子动力学现象有着广泛的应用前景.