基于颗粒离散元的沙纹演变大涡模拟研究

应用大涡模拟、"点球" 浸入边界法和基于"事件驱动" 模型和"弹簧-阻尼" 模型的颗粒离散元法, 数值模拟了明渠湍流中沙纹的演变. 通过对不同谢尔兹数下无沙纹床面的推移质输沙率进行计算, 并与经典输沙率公式进行对比, 验证了模型的精度和可靠性. 随后, 对明渠湍流中沙纹床面的演变过程进行了数值模拟, 计算了有沙纹床面的推移质输沙率、沙纹长度和高度、等效床面高度的最大值、最小值和平均值、沙纹形状阻力、体积流速随时间的变化曲线. 研究发现:初始平整的床面在较短的时间内(tU_b=h≈100) 发展出数条沙纹, 随后沙纹逐渐发展, 在tU_b=h为1 600~2 000 时, 沙纹发生合并. 在沙纹数量不变的条件下, 沙纹高度随时间近似呈线性增长, 而沙纹的长度的平均值却保持恒定. 随着沙纹高度的增大, 输沙率和体积流速逐渐降低, 沙纹形状阻力则逐渐增大;当沙纹发生合并时, 沙纹高度快速增加, 输沙率、体积流速和沙纹形状阻力也出现了大幅跳跃. 在同等的水流强度条件下, 有沙纹床面的输沙率小于平整床面的输沙率.      

双流体雾化液滴荷电特性分析

本文通过理论分析,提出了双流体荷电雾化过程中,增大电场强度或减小液滴粒径均能提高荷电效果的论点。针对不同的电极布置情况建立了数值模拟模型,计算结果表明,双流体喷嘴接地时,喷嘴与环状电极之间的电场强度比喷嘴不接地时大很多。通过实验,验证了电场强度、液滴粒径等参数对荷电效果的影响规律,在环状电极荷电情况下,双流体喷嘴接地时,液体荷质比高于双流体喷嘴不接地时的荷质比;电场强度增大,荷质比增加;液滴粒径越小,荷质比越大;在一定的电导率范围内,电导率越大,荷质比越小。实际喷雾中,运动液滴发生二次破碎的临界荷电量小于Rayleigh极限。     

常曲率弯道二维流动稳定性与非线性演化规律分析

国内外对弯曲河流的研究从线性特性转移到不稳定性与非线性特性上来, 弯曲河流作为一个不稳定的系统, 主要是受到水流和边界的不稳定性的影响.针对弯曲河流中存在的水流动力的不稳定性与非线性特征,利用弱非线性理论与摄动法进行展开, 在微弯条件下建立了时间模式下的常曲率 弯道二维水流扰动幅值与扰动幅角的非线性演化方程.研究了在不同弯曲度下的扰动发展特征,探讨了扰动流场在弯曲度影响下的时空分布的规律,分析了扰动流场中出现的扰动漩涡的运动过程, 阐述了弯曲度对弯曲边界内水流不稳定性的影响, 具体表现为在微弯的情况下, 弯道的弯曲度增大会提高河湾内水流的稳定性, 扰动振幅与扰动幅角会随弯曲度的增大其衰减速度更快, 并且扰动流速的对称性在弯曲度较大时减弱, 逐渐向弯道的凸岸偏斜, 在中性状态附近 的弯道水流动力具有对流不稳定性和非线性衰减的特征.本文的研究成果为构建水流动力非线性与床面形态几何非线性相互作用的模型提供了思路.      

一种考虑虚拟质量力的两相压力波速经验模型

前人建立的两相压力波速经验模型未考虑虚拟质量力,本文考虑虚拟质量力、管壁弹性、管壁粗糙度等因素,通过求解双流体模型的小扰动,提出了一种新的气液两相压力波速经验模型．以一个具体的工程实例为背景,运用数值方法对其求解,得到的计算结果与前人实测的实验数据一致．结果表明,当空隙率较小时(0＜Φ＜15%)时,虚拟质量力对压力波速的影响不大,当空隙率较大时(Φ≥15%),考虑虚拟质量力计算的压力波速远大于不考虑虚拟质量力计算的压力波速．经验公式也可达到准确求解压力波速的目的．     

覆盖层地基上面板堆石坝区间优化设计

用区间分析方法研究覆盖层地基上面板堆石坝的断面优化设计，根据该坝型的结构特点和工作条件，提出了合适的优化设计数学模型，探讨了区间优化的求解方法。实例计算表明，方法的收敛性好，计算量小；所得到的设计方案经济合理，安合可靠。     

综合式消力池常用设计方法存在的问题和应用条件研究

综合式消力池第三种设计方法为常用设计方法,但在下游水深较大、弗劳德数较小时计算的消力坎高度较大,甚至出现消力坎高度远大于下游水深且消力池深度出现负值的不合理现象。分析综合式消力池常用设计方法存在的问题和应用条件对于工程设计具有重要的指导意义。根据综合式消力池的消力坎后可能发生的水跃现象,分析常用设计方法出现问题的原因,主要是假设消力坎后发生临界水跃与实际水流条件不符。常用设计方法应用的条件为消力坎后下游河床的水流弗劳德数Fr_t大于某一临界弗劳德数Fr_c、或下游水深h_th_k/Fr_c~(2/3),给出了消力坎流速系数ф=0.75~0.98时临界弗劳德数Fr_c的计算公式。探讨了消力坎的极限高度和最小坎高,消力坎的极限高度等于下游水深;给出了最小坎高的计算公式。通过与其它三种计算方法的比较,表明在符合综合式消力池应用条件的情况下,常用设计方法得出的计算结果与其它方法一样具有可靠性。     

基于内聚力模型的高速水流聚脲基涂层剥离破坏模型研究

冲磨和空蚀破坏是水利水电设施最为常见的病害之一,严重影响水利水电设施的安全运行和效益发挥. 泄洪建筑物通常喷涂聚脲基涂层来提高抗冲耐磨性能,但在泄洪高速水流速度作用下抗冲磨聚脲基涂层的剥离破坏机理的研究尚属空白. 本文基于高速水流的流态形式,提出了高速水流对泄洪建筑物的力学作用模型,水流作用对泄洪建筑物的载荷主要包括拖曳力、冲击力、脉动力和上浮力;采用内聚力模型表征聚脲基涂层与泄洪建筑物防护体界面的剥离破坏过程,建立了高速水流聚脲涂层的剥离破坏模型, 给出了模型的有限元形式方程、本构关系以及损伤起始原则、演化原则和接触碰撞模型. 通过聚脲涂层与混凝土基底的剥离破坏试验,分析了不同剥离倾角下界面剥离破坏的拉应力与倾角之间的变化规律,得到了聚脲涂层剥离破坏过程中应力-$\!$-位移变化关系. 根据剥离破坏试验计算了界面剥离破坏断裂模型参数,采用数值方法对模型进行了验证,试验结果与模型计算结果吻合良好,为泄洪建筑物的抗冲耐磨设计提供理论依据.      

梯形断面突泄坝址过程线

介绍平底、无阻力条件下梯形断面棱柱体水库瞬时全溃问题坝址过程线的计算方法与结果.     

STUDY ON DEBONDING FAILURE MODEL OF POLYUREA-BASED COATING WITH HIGH VELOCITY WATER FLOW BASED ON COHESIVE ZONE MODEL

冲磨和空蚀破坏是水利水电设施最为常见的病害之一,严重影响水利水电设施的安全运行和效益发挥. 泄洪建筑物通常喷涂聚脲基涂层来提高抗冲耐磨性能,但在泄洪高速水流速度作用下抗冲磨聚脲基涂层的剥离破坏机理的研究尚属空白. 本文基于高速水流的流态形式,提出了高速水流对泄洪建筑物的力学作用模型,水流作用对泄洪建筑物的载荷主要包括拖曳力、冲击力、脉动力和上浮力;采用内聚力模型表征聚脲基涂层与泄洪建筑物防护体界面的剥离破坏过程,建立了高速水流聚脲涂层的剥离破坏模型, 给出了模型的有限元形式方程、本构关系以及损伤起始原则、演化原则和接触碰撞模型. 通过聚脲涂层与混凝土基底的剥离破坏试验,分析了不同剥离倾角下界面剥离破坏的拉应力与倾角之间的变化规律,得到了聚脲涂层剥离破坏过程中应力-$\!$-位移变化关系. 根据剥离破坏试验计算了界面剥离破坏断裂模型参数,采用数值方法对模型进行了验证,试验结果与模型计算结果吻合良好,为泄洪建筑物的抗冲耐磨设计提供理论依据.     

增维精细积分法的适用范围研究

对线性定常结构动力系统提出的增维精细积分法,能够将非齐次动力方程转化为齐次动力方程,不用对状态矩阵求逆就能方便高效地求解出结构的动力响应。本文在仔细分析增维精细积分法性质的基础上,提出了其适用条件,进一步拓宽了其应用范围,并给出了将荷载项展开成傅里叶级数时,相应增维精细积分法的表达式。同时,在一个时间步长内,通过对非齐次项作线性化假设,成功地将增维精细积分法应用到了非线性动力分析领域。本文方法计算格式统一,易于编程,具有很高的计算效率。数值算例证明了本文方法的有效性。     

An unstructured finite‐volume method for coupled models of suspended sediment and bed load transport in shallow‐water flows

The aim of this work is to develop a well‐balanced finite‐volume method for the accurate numerical solution of the equations governing suspended sediment and bed load transport in two‐dimensional shallow‐water flows. The modelling system consists of three coupled model components: (i) the shallow‐water equations for the hydrodynamical model; (ii) a transport equation for the dispersion of suspended sediments; and (iii) an Exner equation for the morphodynamics. These coupled models form a hyperbolic system of conservation laws with source terms. The proposed finite‐volume method consists of a predictor stage for the discretization of gradient terms and a corrector stage for the treatment of source terms. The gradient fluxes are discretized using a modified Roe's scheme using the sign of the Jacobian matrix in the coupled system. A well‐balanced discretization is used for the treatment of source terms. In this paper, we also employ an adaptive procedure in the finite‐volume method by monitoring the concentration of suspended sediments in the computational domain during its transport process. The method uses unstructured meshes and incorporates upwinded numerical fluxes and slope limiters to provide sharp resolution of steep sediment concentrations and bed load gradients that may form in the approximate solutions. Details are given on the implementation of the method, and numerical results are presented for two idealized test cases, which demonstrate the accuracy and robustness of the method and its applicability in predicting dam‐break flows over erodible sediment beds. The method is also applied to a sediment transport problem in the Nador lagoon.Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

不同载荷频率下有砟铁路道床累积沉降特性的离散元分析

为研究有砟道床在高频载荷作用下的累积沉降规律,建立工程尺度下枕木-有砟道床的离散元计算模型。考虑道砟的非规则真实几何形态,利用不可破碎的簇颗粒模型近似构造。在10 Hz～100 Hz载荷频率区间内,对比分析枕木位移以及道砟颗粒在垂向和横向上的运动分布规律,研究分析道床在循环正弦载荷作用下的动力特性。数值结果表明,在载荷频率不超过60 Hz时,道床累积沉降随着载荷频率的提高而逐渐增大;当载荷频率超过60 Hz时,道床累积沉降随着载荷频率的提高而急剧增大,并在载荷频率为80 Hz时达到最大值,而后道床累积沉降量随着频率的提高反而逐渐减小。此外,分析对比不同载荷频率下道床速度场分布及典型位置道砟的加速度等物理量,发现80 Hz的载荷频率下道床离散元模型的振动最强烈。     

铁路隧道基底破坏力学形态的试验研究

针对既有铁路隧道底部病害严重的现状，采用模型试验方法对该问题进行了研究。试验中主要对不同隧道铺底工况进行疲劳试验，以了解不同铺底工况疲劳裂纹的出现时间、扩展情况以及使用寿命等，同时对作用于铺底结构上的压应力及弯应力也进行了测试。试验结果表明，在机车轴重荷载作用下，作用于隧道铺底结构顶面的竖向压应力基本在0．2MPa以内，而铺底底面的弯拉应力一般在0．8MPa以上，铺底结构属于受弯破坏；另外，通过试验得到了20cm厚钢筋混凝土的隧道基底结构更优的结论。在试验成果的基础上，对隧道铺底结构的受力状态及其计算方法进行了探讨。     

Waves in a Bed under Periodic Tangential Loading

The far-zone structure of the wave field in an elastic bed on a rigid foundation is considered. The wave field is generated by a tangential periodic force applied to the bed surface. The amplitude- frequency characteristics of surface vibrations for propagating modes are found. The partition of energy between different modes is considered.__________Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 46, No. 4, pp. 109–115, July– August, 2005.     

A p-TYPE SUPERCONVERGENT RECOVERY METHOD FOR FE ELASTIC STABILITY ANALYSIS OF EULER BEAMS1)

本文将有限元p型超收敛算法应用于欧拉梁弹性稳定分析。该法基于有限元解答中失稳载荷和失稳模态结点位移的超收敛特性,建立了单元上失稳模态近似满足的线性常微分方程边值问题,在每个单元上,对该边值问题采用一个高次元进行求解,获得失稳模态的超收敛解,再将失稳模态的超收敛解代入瑞利商的解析表达式,最终获得失稳载荷的超收敛解。该法思路简明,通过少量计算即可显著提高失稳载荷和失稳模态的精度与收敛阶。数值算例表明,该法高效、可靠,值得进一步研究和推广到各类杆系结构。     

桥梁结构移动平稳随机荷载识别新方法

移动的平稳随机荷载对简支梁的作用,相当于固定的调制函数已知的非平稳随机荷载对简支梁结构的作用.本文以此为基础,研究了移动平稳随机荷载的识别问题.首先基于虚拟激励法的思想,利用特征值分解及奇异值分解技术,由虚拟位移响应反演虚拟广义坐标,有效地避免了矩阵求逆,得到高精度的广义坐标谱;同时利用Wiener-Khintchine关系及Duhamel积分,由广义坐标谱值反演得到平稳随机激励谱密度.仿真算例表明,只要适当地选取参振振型及测点位置,本文方法可以有效地识别桥梁结构的移动平稳随机荷载.     

粗糙床面物质交换特性及其主导机制实验研究

粗糙底床泥-水界面区域的物质交换过程不仅与水动力作用有关,还涉及到底床物理特性和床面形态的影响. 为研究粗糙底床渗透率和床面微地形对泥-水界面物质交换过程的综合影响,通过实验室环形水槽实验,测量得到不同砂质平整底床和存在离散粗糙元床面条件下,泥-水界面物质交换通量和有效扩散系数的定量数据和变化特征,并采用参数化方法分析无量纲控制参数变化范围内界面物质交换特性的主导机制. 实验结果表明,粗糙底床渗透率和床面微地形共同对泥-水界面物质交换过程起重要作用. 与平整底床相比,离散粗糙元局部绕流结构驱动的附加泵吸交换不同程度增大了界面物质交换通量,其增强效应与底床渗透率和床面粗糙度的变化密切相关. 随底床渗透率和床面粗糙度的增大,有效扩散系数总体呈增大趋势,湍流渗透对界面物质交换的影响趋于增强,而泵吸交换的相对贡献趋于减弱. 因此,分析存在床面微地形粗糙底床的主导界面物质交换机制,需要考虑底床渗透率和床面粗糙度的综合影响.      

针对有砟道床动力特性分析的嵌入式离散元-有限元耦合方法

在离散元-有限元耦合方法中,离散元和有限元交界面处的耦合方式对整体有砟道床的力学行为影响显著.采用基于球形单元的镶嵌单元或粘结单元模拟有砟道床时,由于球形单元和有限单元表面的自锁能力较差,使道砟层在列车载荷作用下容易产生侧向滑移,导致数值模型不稳定.此外,在实际铁路道床中,底部道砟均不同程度地嵌入路堤.为此,发展了一种嵌入式离散元-有限元耦合方法,通过设置一层嵌入地基有限元模型中的球形颗粒传递离散元域和有限元域间的力学参数,实现离散元和有限元方法的耦合.数值结果表明,嵌入式离散元-有限元耦合模型能够有效降低有砟道床的侧向位移,数值结果更加稳定,在处理与有砟道床类似的连续介质与散体介质的耦合问题时推荐采用嵌入式耦合算法.     

Multiple time scales of fluvial processes — theory and applications

Fluvial processes comprise water flow, sediment transport and bed evolution, which normally feature distinct time scales. The time scales of sediment transport and bed deformation relative to the flow essentially measure how fast sediment transport adapts to capacity region in line with local flow scenario and the bed deforms in comparison with the flow, which literally dictates if a capacity based and/or decoupled model is justified. This paper synthesizes the recently developed multiscale theory for sediment-laden flows over erodible bed, with bed load and suspended load transport, respectively. It is unravelled that bed load transport can adapt to capacity sufficiently rapidly even under highly unsteady flows and thus a capacity model is mostly applicable, whereas a non-capacity model is critical for suspended sediment because of the lower rate of adaptation to capacity. Physically coupled modelling is critical for fluvial processes characterized by rapid bed variation. Applications are outlined on very active bed load sediment transported by flash floods and landslide dam break floods.     

Effect of static bed height in the upper fluidized bed on flow behavior in the lower riser section of a coupled reactor

To study olefin reduction by using an auxiliary reactor for FCC naphtha upgrading, a large-scale cold model of a riser-bed coupled to an upper fluidized bed was established. The effect of static bed height in the upper fluidized bed on particle flow behavior in the lower riser was investigated experimentally. A restriction index of solids holdup was used to evaluate quantitatively the restrictive effect of the upper fluidized bed. Experimental results show that, under the restrictive effect of the upper fluidized bed, the riser could be divided into three regions in the longitudinal direction: accelerating, fully developed and restriction. The axial distribution of solids holdup in the riser is characterized by large solids holdup in the top and bottom sections and small solids holdup in the middle section. Overall solids holdup increased with increasing static bed height in the upper fluidized bed, while particle velocity decreased. Such restrictive effect of the upper fluidized bed could extend from the middle and top sections to the whole riser volume when riser outlet resistance is increased, which increases with increasing static bed height in the upper fluidized bed. The upper bed exerts the strongest restriction on the area close to the riser outlet.