黏弹性材料界面裂纹应力场奇性分析

研究两半无限大黏弹性体间Griffith界面裂纹在简谐载荷作用下裂纹尖端动应力场的奇异特性.通过引入裂纹张开位移和裂纹位错密度函数,相应的混合边值问题归结为一组耦合的奇异积分方程.渐近分析表明裂尖动应力场的奇异特征完全包含在奇异积分方程的基本解中.通过对基本解的深入分析发现黏弹性材料界面裂纹裂尖动应力场具有与材料参数和外载荷频率相关的振荡奇异特性.以标准线性固体黏弹材料为例讨论了材料参数和载荷频率对奇性指数和振荡指数的影响.     

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型, 介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展. 通过线性稳定性理论, 分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, Darcy-Brinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman -Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响. 利用弱非线性分析方法, 揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况, 以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式. 采用数值模拟方法, 研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的, 而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞, 最后发展为混沌状态.      

受径向振荡激励的黏弹性液滴稳定性分析

当液滴受到外部周期性的径向激励时, 在其表面会形成驻波模式的不稳定, 这就是在球面上的Faraday不稳定问题. 不稳定的表面波的振荡频率根据流体物性参数和所施加激励条件的不同呈现为谐波或是亚谐波模式的振荡. 本文基于线性小扰动理论, 研究了受径向振荡体积力的黏弹性液滴表面波的不稳定性. 振荡的体积力导致动量方程为含有时间周期系数的Mathieu方程, 系统因此变成参数不稳定问题, 采用Floquet理论进行求解. 本模型中将黏弹性的特征处理为与流变模型参数相关的等效黏度, 从而简化了问题的求解. 基于对中性稳定曲线及增长率的分析, 研究了黏弹性参数对液滴稳定性的影响. 结果表明零剪切黏度和应变驰豫时间的增加具有抑制液滴表面波增长的作用, 提高了使液滴表面发生谐波不稳定的激励幅值. 随着振荡幅值的增加, 增长率不稳定的区域减少, 且随着振荡频率的增加, 液滴表面波增长率减小. 通过对增长率的分析可以得出, 应力松弛时间的增加使得增长率增加, 从而促进了液滴表面波的增长.      

黏弹夹芯板的有限元建模及实验研究

从有限元分析和数值模拟及实验验证的角度研究了黏弹夹芯板的频率依赖振动特性。夹芯板中间层为黏弹性材料，其刚度和阻尼的频率依赖性行为直接影响系统的模态频率和阻尼，并导致振动模式求解的复杂化。采用三阶七参数Biot模型描述黏弹性材料频率相关的黏弹性行为。开发了三层四节点28自由度的夹芯板单元，基于经典板理论和哈密顿原理建立了黏弹夹芯板的有限元动力学方程。通过引入辅助耗散坐标，将Biot模型和黏弹夹芯板的有限元动力学模型结合起来，并将其转化为常规二阶线性系统形式，极大简化了求解非线性振动特性的过程。对一边固定、另三边自由的黏弹夹芯板进行了前三阶固有频率和损耗因子的预测，并与实验结果对比。数值模拟结果和实验结果吻合良好，说明所提有限元方法是正确有效的。     

黏弹性地基上功能梯度材料板的振动分析

为研究黏弹性地基上功能梯度材料板的自由和强迫振动特性,基于Reddy高阶剪切变形理论以及由Shen导得的广义Karman型方程,用双重Fourier级数法推导了三参数黏弹性地基上四边简支功能梯度材料板自由振动和动力响应的解析解,计算了各模态自振频率和半波冲击载荷作用下的动力响应,讨论了材料组分指数、黏弹性地基参数、边厚比等因素对自由振动和动力响应的影响.结果表明,黏弹性地基的剪切和压缩刚度显著提升了功能梯度材料板的振动频率,减小了动力响应;另外,地基的黏性对振动频率和动力响应也有一定的影响.     

深埋圆柱形隧洞黏弹性衬砌-土系统稳态振动的解析解

衬砌和土体具有黏弹性性质.将土骨架和衬砌结构视为具有分数阶导数本构的黏弹性体,在频率域内研究了深埋圆柱形隧洞衬砌和土体系统的动力特性.基于黏弹性理论,根据界面连续性条件,分别得到了黏弹性土体和衬砌结构的径向位移、应力等的解析表达式.在此基础上,对比分析了经典弹性土和弹性衬砌系统、分数导数黏弹性衬砌和土体系统的动力特性.考察了土体和衬砌的模量比、衬砌厚度、分数导数阶数、材料参数比对系统动力响应的影响.结果表明:经典弹性土和弹性衬砌系统与分数导数黏弹性衬砌和土体系统的动力特性存在较大差异.随着分数导数阶数的增加,衬砌的径向位移和环向应力幅值明显减小;土体的黏性对系统动力特性的影响大于衬砌黏性的影响.     

含黏弹性夹芯FG-GRC后屈曲梁的低速冲击响应

研究了含黏弹性夹芯的功能梯度石墨烯增强复合材料(functionally graded graphene reinforced composite,FG-GRC)后屈曲梁在低速跌落冲击下的跳跃振荡行为.采用修正Halpin-Tsai细观模型预测FG-GRC的材料宏观属性.使用赫兹点接触模型确定冲击器和梁之间的接触力.提出了考虑轴向预应力的复合材料层本构关系和阻尼层的Kelvin型黏弹性本构.通过一种广义高阶剪切变形锯齿梁模型建立夹芯梁的非线性位移场.基于Hamilton能量变分原理,推导了动力学控制方程组.通过两步分析,首先获得弹性后屈曲平衡路径作为冲击问题的初始状态.随后,结合四阶龙格库塔法,拓展了两步摄动-伽辽金法计算接触力的时程曲线以及后屈曲梁的位移时程曲线.研究了后屈曲梁在单次和两次撞击下双稳态大幅振荡过程的动力学特征.讨论了轴向载荷、冲击速度、黏弹性阻尼特性、冲击器材料等因素对于碰撞接触力以及后屈曲梁动力响应的影响规律.结果表明,接触力仅对冲击速度较为敏感,一定的结构碰撞参数设计可以在接触力变化不大的情况下,使得后屈曲梁由单势能阱运动转变为双阱大幅振荡.     

含黏弹性夹芯FG-GRC后屈曲梁的低速冲击响应

研究了含黏弹性夹芯的功能梯度石墨烯增强复合材料(functionally graded graphene reinforced composite, FG-GRC)后屈曲梁在低速跌落冲击下的跳跃振荡行为.采用修正Halpin-Tsai细观模型预测FG-GRC的材料宏观属性.使用赫兹点接触模型确定冲击器和梁之间的接触力.提出了考虑轴向预应力的复合材料层本构关系和阻尼层的Kelvin型黏弹性本构.通过一种广义高阶剪切变形锯齿梁模型建立夹芯梁的非线性位移场. 基于Hamilton 能量变分原理, 推导了动力学控制方程组. 通过两步分析,首先获得弹性后屈曲平衡路径作为冲击问题的初始状态. 随后, 结合四阶龙格库塔法,拓展了两步摄动-伽辽金法计算接触力的时程曲线以及后屈曲梁的位移时程曲线.研究了后屈曲梁在单次和两次撞击下双稳态大幅振荡过程的动力学特征.讨论了轴向载荷、冲击速度、黏弹性阻尼特性、冲击器材料等因素对于碰撞接触力以及后屈曲梁动力响应的影响规律.结果表明, 接触力仅对冲击速度较为敏感,一定的结构碰撞参数设计可以在接触力变化不大的情况下,使得后屈曲梁由单势能阱运动转变为双阱大幅振荡.      

非等温黏弹性复杂流动的改进SPH方法模拟

非等温黏弹性流体广泛存在于自然界和工业生产中,准确预测黏弹性流体的非等温流动机理和复杂流变特性有着重要的应用价值.文章提出一种改进的光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法对非等温黏弹性复杂流动进行了数值模拟,其中流体的黏弹特性通过eXtended Pom-Pom本构模型来表征.为了提高模拟结果的精度,采用了一种核函数梯度的修正算法;为了灵活地施加边界条件,发展了边界粒子和虚拟粒子相联合的边界处理方法;为了消除流动过程中的拉伸不稳定性,施加了粒子迁移技术.运用改进SPH方法数值模拟了液滴撞击固壁和F型腔注塑成型问题,通过与Basilisk软件得到的结果进行比较验证了改进SPH方法求解非等温黏弹性流体的有效性.通过利用不同粒子初始间距进行计算,评价了改进SPH方法的数值收敛性.研究了非等温流动相较于等温流动的不同流动特征,深入分析了不同热流变参数对流动过程的影响.数值结果表明,文章提出的改进SPH方法可稳定、准确地描述非等温黏弹性复杂流动的传热机理、复杂流变特性和自由面变化特性.     

黏弹性土层中单桩纵向振动的对比分析

在频率域内研究了黏弹性土层中端承桩纵向振动的动力特性.将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的黏弹性体,基于黏弹性理论,采用平面应变模型给出了分数阶导数黏弹性土层的动力阻抗.考虑桩纵向振动时的横向惯性效应,将桩等效为Rayleigh-Love杆,得到了桩头动力复刚度和导纳的解析表达式.通过数值计算,分析了不同模型土条件下桩头动刚度因子和阻尼随激励频率的动力响应.同时,研究了Rayleigh-Love和Euler-Bernoulli两种模型桩动力特性的差异.分析了桩-土界面连续性模型和相对滑移模型对黏弹性土层中桩纵向振动的影响.结果表明:1随着阶数和材料参数比的增加,桩头刚度因子和阻尼明显减小;2对于大直径桩,随着外荷载激励频率的增加,桩横向效应对刚度因子和阻尼有显著影响.3连续性模型条件下桩头的刚度因子和阻尼在共振时的振幅小于相对滑移模型条件.     

幂率流体圆管非定常流动的数值分析

本文讨论水平圆管中幂率流体的起动问题。用显式和隐式两种格式,我们得到了问题的数值解并从而得到流动建立时间的近似公式。     

渗流力学的新发展

渗流力学是研究流体在多孔介质内运动规律的科学。自1856年法国工程师达西提出线性渗流定律以来,渗流力学一直在向前发展,但最近10多年来的发展更为迅速,其主要动向是:渗流力学应用范围比以前更广;渗流力学理论以较快的速度不断深化;渗流力学研究手段不断实现现代化。本文主要对几项新型渗流——非等温渗流,物理化学渗流,非牛顿流体渗流,生物流体渗流,细观渗流的发展作了综述。      

用BGK格式计算不可压缩流场

简要介绍BGK方法的基本思想,数值方法及其对不可压缩流场数值计算的推广。然后详细介绍将BGK方法应用于平面方框流的结果,将其结果与Ghia的结果进行了详细的比较。本方法还用来模拟后台阶流动,所得结果与相应的实验数据进行比较。以上比较表明本方法的有效性,同时也确定在计算不可压缩流体时参数的正确选择。     

扰动本构方程及粘弹流体拉伸流动不稳定性

提出“准衰退记忆”新概念,发展了非牛顿流体扰动本构理论,并研究了粘弹流体拉伸流动的不稳定性规律     

泥石流研究述评

泥石流这一特殊的二相流体是山区常见的一种自然灾害,一般可分为稀性泥石流(颗粒碰撞及离散力起主导作用)和粘性泥石流(粘性力起主导作用)两大类。本文概略地评述了泥石流的几个问题,即泥石流形成学、分类学、动力学等,指出急需解决的问题有泥石流汇流理论、泥石流阻力规律等。文中还根据近年来的动态和趋向,推断更加深入的理论研究和以数学模型为核心的泥石流流域管理模式将会成为泥石流学科发展的主要方向。      

UNIFIED COMPUTATION OF FLOW WITH COMPRESSIBLE AND INCOMPRESSIBLE FLUID BASED ON ROE''''S SCHEME

A unified numerical scheme for the solutions of the compressible and incompressible Navier-Stokes equations is investigated based on a time-derivative preconditioning algorithm. The primitive variables are pressure, velocities and temperature. The time integration scheme is used in conjunction with a finite volume discretization. The preconditioning is coupled with a high order implicit upwind scheme based on the definition of a Roe's type matrix. Computational capabilities are demonstrated through computations of high Mach number, middle Mach number, very low Mach number, and incompressible flow. It has also been demonstrated that the discontinuous surface in flow field can be captured for the implementation Roe's scheme.     

ANALYSIS OF NONLINEAR DYNAMIC STABILITY OF LIQUID-CONVEYING PIPES

Nonlinearly dynamic stability of flexible liquid-conveying pipe in fluid structure interaction was analyzed by using modal disassembling technique . The effects of Poisson . Junction and Friction couplings in the wave-flowing-vibration system on the pipe dynamic stability were included in the analytical model constituted by four nonlinear differential equations . An analyzing example of cantilevered pipe was done to illustrate the dynamic stability characteristics of the pipe in the full coupling mechanisms , and the phase curves related to the first four modal motions were drawn . The results show that the dynamic stable characteristics of the pipe are very complicated in the complete coupling mechanisms, and the kinds of the singularity points corresponding to the various modal motions are different.     

对流-扩散相互作用结构的不变性

本文提出并证明了不可压缩剪切层流中对流-扩散相互作用结构不变性诸定理:即二难剪切层流与其线性化及非线性扰动存在同一的对流-扩散相互作用结构,且物理尺度(指时间、空间和速度尺度)相同。给出十个推论,例如:对流-扩散相互作用可在剪切层流及其扰动场内“激发“快时间尺度和小空间尺度结构,线性化稳定性原理的约定对剪切流体系统成立等。应用题例导出计及时间-空间尺度效应和非平行流效应的广义Orr-Sommerfeld(GOS)方程,证实它有两个粘性解:阻尼层解和干扰层解;经典OS方程及其两个粘性解:边界层解和Heisenberg临界层解,Triple-deck稳定性理论基本方程及其两个粘性解,均是本文GOS方程及其两个粘性解的特例。     

分离流动数值模拟的几个问题

介绍了分离流动现象.给出了三维定常粘性流动分离识别准则,研究了分离流动的性态.给出了应用于分离流动的六种模型及有关的控制方程.讨论了求解NS方程的数值方法和数值模拟的前景.特别研究了应用于分离流动的Eulcr方程的数值模拟问题.      

Bingham流体在旋转圆盘上流动的数值解

导出了描述Ｂｉｎｇｈａｍ流体在旋转圆盘上流动的基本方程，用差分方法数值解薄膜厚度分布方程，得到二种类型的厚度分布。数值解分别和计算机磁盘的厚度分布，Ｊｅｎｅｋｈｅ等的实验结果定性一致。