明渠非定常流动数值计算的间断分解法

给出了用间断分解法进行明渠非定常流数值计算的理论和方法。     

Godunov型CSPM方法

CSPM方法是传统SPH方法的改进,它有效地解决了传统SPH方法在求解含边界问题时的困难。然而最近研究表明,CSPM方法在求解含间断算例时却存在计算不稳定的问题。本文基于Godunov间断分解思想和CSPM方法提出了Godunov型CSPM方法。该方法成功地解决了CSPM在求解含间断流体学问题中遇到的困难,且不用引入人工粘性。为了验证算法的有效性,本文采用一维激波管算例对不同方法进行了对比计算。计算结果表明,本文提出的方法比以往SPH方法有更高的间断捕获精度。     

二维溃坝波的反射与绕射

本文推导了间断分解公式,建立了Godunov型格式,研究了二维溃坝波的传播、反射和绕射。计算结果符合物理实际,令人满意。方法是有效的,可以提供水工部门作为设计和防护的依据。     

多化学组份反应气体流动的Godunov格式

本文将单介质气体流动的Goduoov方法推广到多化学组份气体流动的计算中,建立了多化学组份气体的间断分解公式以及任意四边形网格下的Godunov方法的差分格式,提出了处理自由边界的虚相法,应用第二类网格,计算了超音速射流及其冲击问题的几个算例,并且同实验结果进行了比较。     

水下声波传播过程的时域间断Galerkin有限元方法

本文构建了声压波动方程的改进时域间断Galerkin有限元方法.传统时域连续有限元方法在计算高梯度、强间断特征水中声波传播问题时往往会出现虚假数值振荡现象,这些数值振荡会影响正常波动的计算精度.为了解决这一问题,本文通过引入人工阻尼的方式构建了改进的时域间断Galerkin有限元方法,并针对具有高梯度、强间断特征的多障碍物复杂边界和层合液体介质声传播问题进行了计算.计算结果表明,与传统时域连续方法如N ew mark方法计算结果对比,所发展方法能较好地消除高梯度和强间断声压力波传播过程中虚假的数值振荡,具有较高的计算精度.问题的求解为进一步流固声耦合问题的研究奠定了基础.     

激波作用下三维涡的形成及其界面捕捉计算

针对三维多介质可压缩流体,给出了可压缩多介质流体三维高精度数值计算方法,以及界面捕捉方程和带重新初始化的三维LevelSet方法,对初始压力间断和密度间断条件形成激波、接触间断以及稀疏波的三维复杂流场相互作用情况进行数值计算,给出流场中涡的形成过程和界面位置。并对计算方法进行理论验证。     

环形激波绕射、反射和聚焦流场的间断有限元模拟

采用间断有限元方法对环形激波在圆柱形激波管内绕射、反射和聚焦流场进行了数值模拟。将二维守恒方程的间断有限元方法发展到轴对称Euler方程,并对环形激波绕后台阶流动进行了数值计算。计算结果表明,采用间断有限元方法能够有效地捕捉运动激波在圆柱形激波管内传播的复杂流场结构;在聚焦点附近,数值解具有较大的梯度变化,表明该方法对间断解具有较强的捕捉能力,在聚焦点附近不会产生振荡或抹平间断现象。     

弹塑性体中波传播问题的间断Galerkin有限元法

对结构动力学和波传播问题提出了一个时域间断的Galerkin有限元法．其主要特点是对问题的半离散场方程的节点基本未知向量及其时间导数向量在时间域中分别采用三次多项式和线性(P3-P1)插值，节点基本未知(位移)向量在离散的时间段之间将自动保证连续，而仅仅是它的时间导数(速度)向量存在间断．在非线性条件下，与现有的间断Galerkin有限元法相比。明显地节省了计算工作量．对所提出的间断Galerkin有限元法发展了弹塑性非线性问题的隐式和显式算法．数值计算结果表明了所提出方法的有效性，以及相对基于连续Galerkin有限元法的Newmark算法的计算结果的优越性．     

利用多小波自适应格式求解流体力学方程

高阶计算格式的高精度、高分辨率对提高复杂流场的计算水平有重要的意义,为了提高AUSMPW格式对流场计算中激波等间断的分辨率,减小数值振荡,在原有AUSMPW格式的基础之上,利用多小波对函数进行多尺度分解,并采取阈值的方法生成自适应网格,提出了一种新的基于多小波自适应算法的AUSMPW格式,理论上可以达到任意阶精度. 将所得的压强、密度与原格式、TVD格式及WENO格式的计算结果进行了比较分析. 结果表明改进后的AUSMPW格式较原格式具有更高的分辨率、更强的捕捉间断的能力及更低的数值耗散.      

用离散速度方法计算浅水长波方程

用离散速度法计算浅水波方程，将空气动力学方程和浅水波方程作了比较，用Nadiga提出的近平衡流动方法模拟浅水波方程的连续和间断解。计算了一维的溃坝波问题和Thacker提出的连续解问题，结果与精确解作了比较，并且计算了水流跃过障碍物的问题。     

一种在网格内部捕捉间断的Walsh函数有限体积方法

传统有限体积或有限元方法假定流动变量在单元内连续, 间断仅限于控制体的交界面上, 因此它们无法在控制体内部捕捉间断. 本文摒弃控制体内流动变量连续的假设, 将自身具有间断特点的Walsh基函数应用于有限体积方法, 把控制体内的流场变量表示成间断基函数的组合形式. 按照Walsh基函数在控制体内引入的间断数目和位置, 将控制体单元虚分为若干个分片连续的子单元, 并将Walsh基函数级数表征的守恒型控制方程在每个子单元上进行数值积分和离散求解.相对于传统有限体积方法, 这种利用Walsh基函数构造的新型有限体积方法能够以一定的比例减小数值误差, 提高分辨率, 并可实现控制体单元内部的间断捕捉, 本文将其命名为Walsh函数有限体积方法. 该方法在子单元尺度上仅具有一阶计算精度, 为进一步提高对光滑解的分辨率, 在每个控制体内利用子单元上的变量平均值进行重构, 提出了子单元尺度上具有的二阶/高阶计算精度的Walsh函数有限体积方法. 最后, 运用新发展的方法求解无黏Burgers方程和Euler方程, 并在相同的计算网格上与传统有限体积方法进行对比计算, 对新方法的计算精度、计算效率、间断捕捉能力和鲁棒性进行了验证.      

混凝土断裂的连续-非连续方法

采用有限元形函数作为单位分解函数,位移间断用富集节点的附加自由度表示,建立了允许在单元内部位移非连续的局部富集公式以表征混凝土的开裂区域．富集基函数由节点形函数和节点形函数与间断函数的乘积的并集构成．非连续位移的扩展路径完全与网格结构无关．不同于以非协调应变为基础的嵌入非连续模型,对单元的类型没有限制而且间断位移可以贯穿单元边界．局部富集思想与扩展有限元类似,但富集点自由度保持节点位移的物理意义不变,使相邻单元无需进行富集运算．在变分公式中引入混凝土粘结本构定律,推导了考虑断裂过程区非线性影响的基本方程．对混凝土粘结裂纹扩展的数值模拟说明了该计算方法的有效性．     

群速度控制格式及二维Riemann解

强激波和强接触间断的数值模拟一直是计算流体力学里一个富有挑战性的课题,它们是很多实际流动的基础。三阶迎风紧致格式是一种具有较高分辨率的高精度方法,但是在计算激波时仍有数值振荡产生。本文根据数值解的群速度特性,在三阶迎风紧致格式的基础上提出了一种群速度控制格式,使得能够正确模拟含有强激波和强接触间断的复杂流动。在此基础上构造了求解包含大压力比和密度比的二维界面问题的数值方法。计算结果表明,方法对激波和接触间断的分辨效果是令人满意的。     

垂直磁压电材料界面三维裂纹的超奇异积分法

应用有限部积分概念和广义位移基本解，垂直于磁压电双材料界面三维复合型裂纹问题被转 化为求解一组以裂纹表面广义位移间断为未知函数的超奇异积分方程问题. 进而，通过主部 分析法精确地求得裂纹尖端光滑点附近的奇性应力场解析表达式. 然后，通过将裂纹表面 位移间断未知函数表达为位移间断基本密度函数与多项式之积，使用有限部积分法对超奇异 积分方程组建立了数值方法. 最后，通过典型算例计算，讨论了广义应力强度因子的变化规 律.     

基于刚度分解法的输电铁塔结构杆件力分析

提出了输电铁塔应用刚度分解法的分析过程，利用刚度分解法分别建立了铁塔各段等效抗弯刚度矩阵和等效抗剪刚度矩阵代替空间桁架分析法中的总刚度矩阵，求得各段铁塔杆件受力。采用迭代方法求得全塔结构受力，使计算过程简化，实例计算结果与计算机计算结果吻合很好，可为输电铁塔结构设计提供参考。     

三维无限体中两平行平片裂纹相互干扰的超奇异积分方程解法

本文利用三维断裂力学的超奇异积分方程求解理论，对三维无限体中两平行平片裂纹在任意载荷作用下的相互干扰问题作了研究。首先导出了以裂纹面移间断（位借）为未知函数的超奇异积分方程组，然后为其建立了有限积分边界元法；在此基础上，讨论用了裂纹面位移间断计算应力强度因子的方法，最后用此计算了两平行平片裂纹的相对位置对裂前沿应力强度因子的影响，其数值结果令人满意。     

关于几种新的析分解的计算方法

对变形樟度极分解的计算方法进行了分析，给出了极分解计算的四种新方法：（１）增量叠加法；（２）基于伸长张量不变量（近似）计算法；（３）确定主转动轴计算法；（４）坐标变换法。增加叠加极分解计算方法将为建立以伸长张量为变应度量的大变形大转动有限分析方法提供基础。本文还给出了伸长张量物质时间导数的简洁表达式。     

应变局部化分析的嵌入强间断多尺度有限元法

固体材料的应变局部化行为是导致结构破坏失效的重要因素之一,开展相关数值模拟分析对于结构安全性评估具有重要意义.然而由于材料的非均质和多尺度特性,采用传统数值方法进行求解时通常需要从最小特征尺度离散求解的结构,这将大幅度增加计算规模和成本.针对这一问题,本文提出了一种基于嵌入强间断模型的多尺度有限元方法.该方法从粗细两个尺度离散求解模型,首先在细尺度单元上引入嵌入强间断模型来描述单元间断特性,所附加的跳跃位移自由度则通过凝聚技术进行消除,从而保持细尺度单元刚度阵维度不变.其次,提出了一种增强多节点粗单元技术,其可根据局部化带与粗单元边界相交情况自适应动态地增加粗节点,新构造的增强数值基函数可以捕捉细尺度间断特性,完成物理信息从细单元到粗单元的准确传递以及宏观响应的快速分析;再次,在细尺度解的计算中,将细尺度解分解为降尺度解与单胞局部摄动解,从而消除弹塑性分析时单胞内部的不平衡力.最后,通过两个典型算例分析,并与完全采用细单元的嵌入有限元结果进行对比,验证了所提出算法的正确性与有效性.     

基于简单WENO-RKDG的溃坝问题数值模拟

对溃坝问题水流间断面的高精度、高分辨率数值模拟是水动力学的重要内容。简单加权本质无振荡(WENO)限制器由"问题单元"及其相邻单元的解重构"问题单元"的解,从而抑制数值解的非物理振荡,能够很好地模拟间断问题。本文详细介绍了简单WENO限制器的基本原理和过程。将简单WENO限制器-Runge-Kutta间断Galerkin方法应用于二维浅水控制方程的求解中,对二维矩形明渠中大坝瞬间全溃、局部溃塌所致的水流运动进行了数值模拟,并将数值计算结果与理论分析进行了比较。计算结果表明,方法能够清晰地捕捉到溃坝全过程中的间断,没有非物理的振荡现象发生,简单WENO限制器-RKDG方法能够很好地模拟溃坝波的演进过程。     

热冲击作用下层合皮肤组织热传导过程数值模拟

在急剧温度变化等强间断温度冲击作用下的生物层合组织非傅里叶热传导分析中,经典时域连续有限元方法(如Newmark等方法)会在波阵面以后的和层合组织界面附近的区域表现出强烈的数值振荡。这类数值振荡会影响问题求解精度,并带来较大不确定性。针对这类现象,本文发展了改进时域间断Galerkin有限元方法,进一步开展了相关问题的数值模拟。其控制方程的基本未知数(温度)及其时间导数在指定时间间隔内假设存在间断且独立插值。在有限元离散列式中引入比例刚度阵人工阻尼,以成功消除波前位置的虚假数值振荡行为。通过算例对比分析,相比Newmark方法和传统间断Galerkin方法,所提出的改进时域间断Galerkin有限元方法较好消除了波前、波后以及组织界面处的数值振荡,有效捕捉了波阵面的间断行为,提高了计算的精度。