波动数值模拟的一种显式方法——二维波动

将一维波动时域数值模拟的一种显式方法推广到二维,导出了二维非规则网格的节点递推公式.针对均匀正方形网格详细论述了时空精度皆为2M阶(M为正整数)的稳定递推公式的构建方法,并以构建二阶(M = 1)和四阶(M = 2)公式为例予以说明. 最后,通过算例检验了本文研究结果,特别是说明了高阶公式对提高计算效率的价值.      

波动方程数值模拟的一种显式方法——-界面节点公式的构建

针对成层介质中标量波动的数值模拟, 基于波速有限原理和波动方程柯西问题的解, 导出了界面点在一个短时间窗内的精确解, 由此给出了具有高阶精度的界面节点显式递推公式的一种构建方法, 并以构造弹性杆界面节点的递推公式为例说明其要点. 给出了与已有内节点递推公式的精度阶匹配的二阶和四阶界面节点递推公式. 由此构成的计算格式具有``异质格式'编程简便的特性, 更合理地考虑了界面影响. 最后, 通过数值试验检验这一匹配方案的精度和稳定性.      

透射边界条件在波动谱元模拟中的实现:一维波动

多次透射公式(multi-transmitting formula,MTF)是一种具有普适性的局部人工边界条件,但其在近场波动数值模拟中一般与有限元法结合.由于波动谱元模拟的数值格式与有限元格式有极大的不同,传统的MTF在谱元离散格式中无法直接实现.为了使物理概念清楚、精度可控的多次透射人工边界条件能够适应波动谱元模拟的需求,首先指出多次透射边界与谱元离散格式结合的基本问题,并分析了空间内插和时间内插两种方案的可行性.然后从空间内插角度出发,提出基于拉格朗日多项式插值模式的MTF谱元格式,并采用一种简单内插方法实现高阶MTF.最后通过一维波动数值试验检验这些MTF谱元格式的精度,并讨论其数值稳定性.结果表明:对于一、二阶MTF,几种格式的精度相当;对于三、四阶MTF,基于谱单元位移模式插值的格式精度最高.相反,随着插值多项式阶次的升高,不同MTF格式的稳定临界值逐步降低,但是所有格式均在人工波速大大超过物理波速时才可能发生失稳.     

对流扩散方程的绝对稳定高阶中心差分格式

将作者提出的数值摄动算法改进为区分离散单元内上游和下游并分别对通量进行高精度重构的双重数值摄动算法,与原(单重)摄动算法相比,双重摄动算法既提高了格式精度又明显扩大了格式的稳定域范围.利用双重摄动算法,即分别利用上游和下游基点变量的摄动重构将高阶流体力学关系及迎风机制耦合进二阶中心格式之中,由此构建了对流扩散方程的对网格Reynolds数的任意值均稳定(绝对稳定)高精度(四阶和八阶精度)三基点中心TVD差分格式,通过解析分析以及3个算例计算证实了构建格式的优良性能;3个算例包括一维线性、非线性(Burgers方程)和二维变系数对流扩散方程.数值计算表明:构建的格式在粗网格下不振荡,构建格式在粗网格时的最大误差L_∞和均方误差L_2与二阶中心格式在细网格时的相应误差一致,对线性方程,构建格式在细网格下可达到L_2精度阶.     

物理驱动深度学习波动数值模拟方法及应用

近年来,物理先验融合数据的深度学习方法求解以偏微分方程为理论基础的正反演问题已成为交叉学科热点.针对地震工程波动数值模拟,本文阐明了物理驱动深度学习方法 PINN的数学概念及实现方式,以无源项一维波动为例,开展了相关理论模型构建,并与解析解及有限差分方法进行对比,分析了PINN方法与其他数值算法模拟波场的相对范数误差,验证了物理驱动深度学习方法求解波动问题的可行性.采用物理驱动深度学习方法并结合谱元法形成的稀疏初始波场数据,开展了二维波动数值模拟,实现了自由边界条件及起伏地表等典型工况的模拟,并给出了时序波场分布特性.更换不同的初始条件,测试了神经网络的泛化精度,提出可显著提高网络训练效率的迁移学习方法.通过与谱元法的结果对比,验证了本文方法模拟均质场地、空间不均匀及复杂地形场地波动问题的可靠性.结果表明,物理驱动深度学习方法具备无网格、精细化模拟等优势,并可实现自由地表及侧边界波场透射等数值模拟条件.     

多次透射公式在波动数值模拟中的一种实现方案

将一种常用的吸收边界条件─多次透射公式合并于紧接人工边界的内节点控制方程给出了该公式的一个新的实现方案.该方案较之原实现方案不仅收缩了计算区、改进了边界的模拟精度,而且揭示了该公式截断误差的阶数与大区域数值解之间的关系,阐明了提高吸收边界的精度阶对改进波动数值模拟精度的局限性.通过数值试验比较了新方案、原方案及Givoli-Neta吸收边界条件的在人工边界上的精度,结果表明前者优于后二者.     

非结构网格质量对梯度重构及无粘流动模拟精度的影响

综合利用理论分析和数值测试手段,研究了非结构格心型有限体积离散中梯度重构算法的计算精度,分别给出了非结构算法中常用的基于Green-Gauss公式(GG方法)和基于Least squares方法(LSQ方法)的梯度重构方法达到至少一阶精度的条件。其中,GG方法在面积分低阶项不能互相抵消的情况下,要求面心插值精度达到至少二阶;而LSQ方法对于任意网格均能实现梯度重构一阶精度。在各向同性网格上的梯度重构精度数值测试验证了数学推导结论;进一步通过制造解方法量化无粘流动数值离散误差,结合网格收敛性测试研究了网格质量(网格点随机扰动、网格弯曲度和网格倾斜度等因素)以及网格类型(三角形和四边形)对无粘流动模拟精度的影响,验证了理论分析结论。     

HyperFLOW软件非结构网格亚跨声速湍流模拟的验证与确认

计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟在航空航天等领域发挥越来越重要的作用,然而CFD数值模拟结果的可信度仍然需要通过不断地验证与确认来提高.本文给出了从制造解精度测试、简单到复杂外形湍流模拟网格收敛性研究等三个方面开展CFD软件验证与确认的方法,并对自主研发的CFD软件平台HyperFLOW在非结构网格上模拟亚跨声速湍流问题的能力进行了验证与确认.首先通过基于Euler方程和标量扩散方程的制造解精度测试,分别验证了HyperFLOW在非结构网格上对Euler方程和黏性项的求解精度,结果表明其能够在任意非结构网格上达到设计的二阶精度. 其次,通过NASATurbulence Modeling Resource中的湍流平板、二维翼型近尾迹流动、二维Bump等几个典型的亚声速湍流算例的网格收敛性研究,量化考察了数值结果的观测精度阶和网格收敛性指数,并与国外知名CFD解算器CFL3D,FUN3D的计算结果进行了对比,验证了HyperFLOW对简单湍流问题的模拟能力,且具有良好的网格收敛性和计算精度(阶). 最后,通过NASA CommonResearchModel标模定升力系数的网格收敛性研究和升阻极曲线预测,验证了软件在复杂外形亚跨声速湍流流动数值模拟中也具有良好的可信度.      

HyperFLOW软件非结构网格亚跨声速湍流模拟的验证与确认

计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)数值模拟在航空航天等领域发挥越来越重要的作用,然而CFD数值模拟结果的可信度仍然需要通过不断地验证与确认来提高.本文给出了从制造解精度测试、简单到复杂外形湍流模拟网格收敛性研究等三个方面开展CFD软件验证与确认的方法,并对自主研发的CFD软件平台HyperFLOW在非结构网格上模拟亚跨声速湍流问题的能力进行了验证与确认.首先通过基于Euler方程和标量扩散方程的制造解精度测试,分别验证了HyperFLOW在非结构网格上对Euler方程和黏性项的求解精度,结果表明其能够在任意非结构网格上达到设计的二阶精度.其次,通过NASA Turbulence Modeling Resource中的湍流平板、二维翼型近尾迹流动、二维Bump等几个典型的亚声速湍流算例的网格收敛性研究,量化考察了数值结果的观测精度阶和网格收敛性指数,并与国外知名CFD解算器CFL3D,FUN3D的计算结果进行了对比,验证了HyperFLOW对简单湍流问题的模拟能力,且具有良好的网格收敛性和计算精度(阶).最后,通过NASA Common Research Model标模定升力系数的网格收敛性研究和升阻极曲线预测,验证了软件在复杂外形亚跨声速湍流流动数值模拟中也具有良好的可信度.     

考虑场地介质随机特性的无限域波动分析

针对场地介质具有随机特性的无限域地震波动分析问题，在概率空间中将随机反应向量按随机介质场离散所得主导随机变量的正交多项式级数形式展开，使随机微分方程变换确定性的扩阶线性方程组，并在波动的元模拟技术的基础上，构造了扩阶透射人工边界公式，两者结合形成了求解无限域随机介质中波动传播问题的有限元分析方法，该方法不仅不受基于摄动思想各类方法的久期项的干扰，而且避免了采用模拟方法时人工边界区单元参数样本不均匀所引起的数值计算不稳定问题。     

污染扩散方程高精度紧致格式及其稳定性分析

针对污染扩散方程提出了时间任意阶精度的显式格式,并对该格式的稳定性和精度进行了分析,理论结果表明:一阶精度的计算格式是传统的显格式,其稳定条件为:s≤1/2(s=D.Δt/Δx2,D为扩散系数,Δt为时间步长,Δx为空间步长),随着保留精度阶数的增加,稳定性范围也会随之增大;当保留无穷阶精度时,格式是无条件稳定的。这也就从一个侧面揭示了稳定性与时间精度之间的关系,为高性能数值计算格式的构思提供了可以借鉴的原则。数值算例的结果表明,本文格式具有一定的实用性。     

透射边界条件在波动谱元模拟中的实现:二维波动

将邢浩洁和李鸿晶提出的多次透射公式(multi-transmitting formula,MTF)的谱元格式应用于均匀介质中线弹性SH波动问题的谱元模拟.假定紧邻人工边界的一层谱单元为具有直线边界的四边形单元,以保证每个人工边界节点都唯一对应一条指向内域的离散网格线.人工边界节点在某时刻的位移由该离散网格线上的节点在前若干时刻的位移确定,按照MTF谱元格式进行计算.通过平面波以一定角度传播的外源问题算例和点源脉冲自由扩散的内源问题算例,验证了方法的可行性以及对实际复杂波动问题的适用性.通过不同类型初值问题算例,在时域内分析了插值多项式阶次、人工波速和透射阶次三个参数对反射误差的影响.结果表明:插值多项式阶次较高的格式会表现出更好的精度,但总体上对反射误差的影响较小;人工波速对反射误差具有显著影响,当人工波速小于介质物理波速时反射误差较大,而当人工波速等于或稍大于介质物理波速时反射误差处于较低水平;透射阶次对反射误差具有决定性影响,表现在不失稳的情形下提高透射阶次能够迅速降低反射误差,但内源问题从三阶MTF开始出现飘移失稳,外源问题从二阶MTF开始出现轻微的飘移失稳.     

流固耦合地震波动问题的显式谱元模拟方法

流固耦合地震波动问题主要研究由流体和固体构成的复杂系统中地震波传播特性及其规律. 传统模拟方法中一般以声波方程、弹性波方程的数值解分别描述理想流体和弹性固体中的波动, 并实时地处理两种不同性质介质之间的相互耦合作用, 数值格式复杂且限制数值模拟精度与计算效率. 本文采用谱元法结合多次透射公式人工边界条件实现了一种流固耦合地震波动问题的高阶显式数值计算方法. 该方法利用了流固耦合问题统一计算框架,可将饱和多孔介质的Biot波动方程分别退化为理想流体的声波方程和弹性固体的弹性波方程. 通过P波垂直入射的水平成层理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型、P波斜入射的不规则层状界面以及任意形状界面的理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型等三个算例, 与传递函数法解析解以及集中质量有限元法计算结果进行对比分析, 证明了本文方法的正确性与有效性. 数值模拟结果表明, 本文方法相较传统有限元法可以少得多的节点数量获得更高的数值精度, 并且在较宽的频率范围内都能可靠地模拟出流固耦合系统的动力响应, 充分体现出本文方法兼顾高精度、计算效率和复杂场地建模灵活的特点.      

广义扩展有限元法及其在裂纹扩展分析中的应用

结合广义有限元法(GFEM)和扩展有限元法(XFEM)的特点,提出了一种新的数值方法——广义扩展有限元法(GXFEM)。阐述了广义扩展有限元法的基本原理,对相关公式进行推导,探讨数值实施中需注意的重要问题,给出利用广义扩展有限元法进行断裂分析时应力强度因子的计算方法,编写了广义扩展有限元法程序。通过算例进行了应力强度因子的计算,模拟了结构裂纹的扩展过程。算例结果表明,利用广义扩展有限元法计算裂纹扩展问题,不需要进行过密的网格划分,且网格在裂纹扩展后无需重新剖分,具有相当高的计算精度。     

非定常流函数涡量方程的一种数值解法的研究

对非定常流函数涡量方程的数值求解方法进行了改进,其中流函数一阶导数即速度项采用四阶精度的Hermitian公式,对流项由一般二阶精度的中心差分提高到四阶精度离散差分,包含温度方程在内的离散方程组采用ADI迭代方法求得定常解．以无内热体及有一内热体的封闭方腔内自然对流为例,进行了不同瑞利数（Ra）条件下的数值研究．结果表明,该方法推导简单,求解精度高且计算稳定,适用于封闭腔内高瑞利数复杂混合对流的数值模拟．     

波动数值模拟中的外推型人工边界条件

当前波动数值模拟中的人工边界条件(artificial boundary condition, ABC)数量繁多, 但用于串联它们的理论及公式体系还需进一步完善, 以便在复杂波动问题模拟中更准确地选取ABC并评估其性能. 本工作发展一种外推型人工边界条件理论, 将一系列利用临近边界一组节点在前若干时刻的运动来外推人工边界节点运动的经典ABC纳入一个体系. 这些ABC包括廖氏透射边界(multi-transmittig formula, MTF)、旁轴近似边界、Higdon边界以及Givoli-Neta、Hagstrom-Warburton、AWWE辅助变量边界等. 针对现有边界公式存在的不足, 分别提出一种引入多个人工波速进行优化的MTF公式(离散公式)和一种定义在统一局部坐标之上并采用多个人工波速作为控制参数的统一Higdon边界公式(连续公式或微分方程形式ABC), 作为外推型ABC的两个基本公式. 这二者是最简单实用的外推型ABC, 其他同类ABC大多可以由它们转化得到, 或者通过某种等价的中间形式与之相关联. 数值试验证实了理论的正确性, 并初步展示了多人工波速ABC比传统单一人工波速ABC所具有的优势. 研究结果不仅具有重要理论价值, 还为更好地解决具有差异较大的多种物理波速的复杂波动, 如大纵横波速比的软土介质中波动或海洋声学、 气象学中的频散波动等的ABC问题提供了实用方法.      

四节点四边形数值流形方法及其改进

本文对四节点四边形流形元提出了改进措施,将覆盖位移函数用自然坐标表示,使得在一般非规则有限数学覆盖网格下,数值积分变得比较容易,克服了现有四节点四边形流形单元数值积分困难的缺点。数值算例将其应用于复合材料数值模拟,计算结果表明,当覆盖位移函数采用完全一阶等参多项式时,计算精度较传统有限元法有很大改进。在力应集中或应力突变的区域,无需网格加密,只需提高覆盖位移函数的阶次即可。     

隐式Newmark法分析波动问题精度的探讨

本文研究了用平均加速度的Newmark积分格式求解一维平面弹性波动问题的精度。由于平均加速度的Newmark积分格式没有振幅衰减、不产生数值阻尼,因此采用此法分析波动问题会产生较强的高频振荡,尤其是加速度的计算值误差甚大。本文对防护工程中常见的平台型荷载和升压三角形荷载作用下的波动问题,应用有限元分析的实例表明:采用有数值阻尼的Newmark积分格式是改进有限元求解波动问题的一个有效方法,可以大大地提高应力和加速度求解精度。文中推荐的有数值阻尼Newmark积分格式的积分参数(=0.9,=0.49)可供工程中土与结构动力分析时参考使用。     

波动问题中流体介质的动力人工边界

无限域流体介质的波动辐射效应是影响海域工程动力反应的重要因素,人工边界是实现此类开放系统近场波动问题数值分析的有效方法.基于位移格式的流体波动理论推导开放域流体介质的人工边界,分别给出一维、二维和三维空间中平面波、柱面波和球面波的流体介质动力人工边界条件,其中一维平面波动人工边界为经典的黏性边界,二维柱面波、三维球面波的人工边界处节点应力与节点速度和加速度成正比,可等效为由阻尼与质量系统构成的人工边界条件.讨论相应的数值模拟技术,给出流体介质动力人工边界在ANSYS软件平台的具体实现方法.近场流体介质动力反应问题的算例表明,所发展的流体动力人工边界对于轴对称波动与非轴对称波动在近场有限域截断处的透射吸收作用的模拟计算精度均较为良好,说明此流体介质人工边界具有较高的可靠性与实用性.所发展的流体介质动力人工边界可较为方便地与大型商用有限元软件结合,可为包括海域地形和海岛在内的海域工程的动力分析提供一定的方法借鉴.     

基于建筑风场数值模拟的网格层块加密法

在建筑风场的数值模拟中,当前普遍采用的离散网格多是计算前一次性布置的固定网格,通常很难适应实际流场变量的变化要求.为提高数值模拟的精度,基于结构化同位网格系统及控制容积离散微分方程的方法,将适应性网格局部加密(AMR)的思想引入到采用压力校正迭代算法的建筑风场模拟中,提出了一种半自适应的层块网格加密方法.该方法可结合误差分析对误差较大的区域网格实行自动判别并实施逐层块状加密.算例分析表明,该方法能在较高的效益下提高数值解的精度.