考虑动水压力和流固耦合的库水-坝体-地基系统建模与动力分析

结合动水压力模型和罚函数耦合算法，考虑地基和坝体结构的接触以及边界效应，构建动水压力和流固耦合作用下的库水-坝体-地基地震响应分析模型和方法。通过与试验结果及解析解和实测数据对比，验证了本文模型和方法能准确反映系统地震荷载和分析整体耦合系统的动力响应，引入罚函数处理流固耦合界面能提高计算收敛速度。进一步以某重力坝工程实际为背景，验证本文构建的模型和方法适用于库水-坝体-地基耦合系统动力分析的可行性，并分析了地震作用下地基变形对系统动力响应的影响。     

地震作用下水库坝体与水体相互作用数值模拟

地震作用下水库坝体受迫振动,推动坝后水体波动,造成水体动压作用于坝体,形成坝-水耦合作用,影响坝体安全.为了评估坝体振动引起的水面波动及坝体所受动水荷载作用,建立坝体动边界条件下的不可压水体运动数学模型,模拟了地震波作用下的坝后水体波动和动力荷载.结果 表明,在忽略坝体自身弹性变形的条件下,地震作用下坝体激发的水体表面...     

高拱坝气幕隔震的动力模型试验

为了研究高拱坝的气幕隔震效果,基于动力相似准则,设计了坝体-坝基-气幕-库水三相耦合系统的动力试验模型。其中,坝体材料采用河沙、重晶石粉、铁粉、松香、酒精调制而成,坝基材料采用膨胀珍珠岩和石膏调制的轻质材料,气幕厚度为1cm,均匀地覆盖在坝体上游面,气室壁材料选用ABS工程塑料。基于该模型,完成了两种实测地震波不同峰值加速度共计12个工况的大型振动台试验。试验结果表明:气幕使动水压力显著降低,坝体加速度也相应减小;靠近坝底的测点动水压力削减达70%以上,坝顶加速度减小约20%。因此,气幕可提高坝体的抗震性能。     

半空间饱和土内置点载荷作用下的热弹性波动

基于Biot波动理论及热弹性动力理论,利用已建立的饱和多孔弹性介质热流固耦合控制方程,研究半无限地基在内置点热力源作用下的动力响应问题. 求解过程引用Hankel变换技术,得到了热力源作用下土体中温度增量、应力、位移和孔隙水压力的积分形式解答.利用Hankel数值逆变换得到计算结果,分析了热流固耦合条件下激振频率对竖向位移和孔隙水压力响应的影响. 对热流固耦合、热弹性和多孔弹性模型计算结果进行了比较.      

非线性子结构方法中实现对结构抗震措施阻尼器的数值模拟

应用子结构理论,对设置伸缩横缝的小湾高拱坝结构,分别就正常高水位常遇低水位两种水位工况,考虑坝体伸缩横缝在地震交变荷载作用下反复开合引起的缝面问滑移．接触等效应的影响,坝体一库水的相互作用而产生的动水压力的影响,对坝体的抗震性能进行了地震反应分析。对伸缩缝问设置阻尼器这一新的设计思想进行了可行性的研究,论证推导了阻尼器的计算模型,探讨了阻尼器对坝体结构抗震性能的影响。     

非定常空化流动涡旋运动及其流体动力特性

采用大涡模拟方法对绕水翼云状空化的水动力特性和非定常流场结构进行研究. 基于实验结果对数值方法进行验证,分析空化与流场内部涡旋结构之间的相互作用以及对水翼动力特性的影响. 研究结果表明:大涡模拟方法可以准确模拟绕水翼流动的非定常过程. 在无空化条件下,升阻力系数存在斯特劳哈数St = 0.85 的主频波动,这是由水翼尾部涡旋结构的发展脱落引起的;在云状空化条件下,升阻力系数存在St = 0.34 的高能量密度低频波动,这是由大规模云状空泡团的发展和脱落引起的;云状空化阶段的升阻力系数在St = 0.5~1.5 的范围内都存在较高的波动,这是由于空化现象对水翼尾缘涡旋结构的发展和脱落产生影响,在不同发展阶段,空化现象不同程度地降低尾缘涡旋结构脱落频率.      

粘弹性饱和土体中半封闭圆形隧洞的动力响应分析

基于Biot波动方程,研究分析了粘弹性饱和土体中半封闭圆形隧洞的动力响应问题．假定衬砌材料为多孔介质,引入了更符合工程实际的半封闭边界条件．通过引入势函数,在Laplace变换域中得到隧洞边界上作用轴对称荷载和流体压力条件下应力、位移和超孔隙水压力的解答．利用Laplace数值逆变换得到时域中的解,分析了隧洞边界的半透水特性对隧洞动力响应问题的影响,结果表明：隧洞边界的半透水特性对应力、位移场的变化和超孔隙水压力的消散有很大的影响,透水和不透水下条件的解仅是本文的两个特例。     

大型渡槽动力设计方法研究

根据大型渡槽结构的特点,在缺乏适用的抗震分析模型前提下,提出支撑-渡槽-水伪三维流固耦合动力分析方法。模型基于结构动力分析理论和流固耦合分析理论,整体结构分析采用Newmark方法进行动力时程分析,分析中考虑渡槽结构整体受力性能,包括下部支撑结构、地基等多种因素的影响作用;渡槽-水耦合体子结构分析采用任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE)有限元方法进行动力分析,考虑渡槽-水的耦合相互作用,模拟渡槽中水体的大幅晃动作用,相应得出渡槽中动力压力值及其分布。以某排架支撑矩形渡槽为例,采用本文提出的伪三维模型进行地震时程分析,计算结果与三维模型计算结果吻合良好。本文提出的伪三维动力分析方法计算效率高,满足渡槽结构抗震设计要求,便于工程应用,是大型渡槽结构动力分析研究和抗震设计的实用静、动力分析方法。     

高拱坝伸缩横缝间布设抗震钢筋的动力反应分析

应用动力非线性子结构理论,对设置伸缩横缝的小湾高拱坝实际工程结构抗震分析中的坝体横缝加抗震钢筋问题进行了研究。讨论并建立了坝体伸缩横缝在地震荷载作用下穿越缝间抗震钢筋的数学模型,给出了动力非线性子结构法考虑缝间抗震钢筋影响的求解公式;并就正常高水位常与低水位两种水位工况,对坝体的抗震性能进行了计算分析。讨论了在地震荷载作用下抗震钢筋对坝体横缝张开度、坝体应力以及加速度响应的影响。     

爆炸作用下土体隧道衬砌结构的动力响应

为了找出爆炸动力作用下的隧道衬砌结构薄弱部位和力学规律,建立了土体隧道动力分析整体有限元模型;利用显式动力有限元程序Ansys/Ls-dyna进行了数值模拟,探讨了土体隧道衬砌结构在爆炸作用下不同部位的时间历程曲线;分析了爆炸作用下土体隧道衬砌结构的动力响应。结果显示:隧道衬砌结构肩部在x、y方向的位移都较大;隧道衬砌结构顶部在y方向的位移较大;隧道衬砌结构顶部、肩部的加速度峰值最大并且加速度曲线均出现了两次或多次峰值。这反映了爆炸冲击波有比较强烈的多次反射;各部位压力时程曲线波动较大,按照肩部、顶部、胯部、底部、腰部的顺序先后到达峰值;顶部和肩部σx峰值最大,顶部和底部σy峰值最大,顶部、肩部、底部τmax峰值最大。顶部和肩部出现最大拉应力说明爆炸对拱顶拱肩损伤较大,隧道衬砌结构将会最先在这两处发生破坏。     

微重力环境下Marangoni对流的有限元数值模拟

本文以悬浮区为背景研究液桥中气液交界面上由表面张力所驱动的流体对流。我们采用有限元方法对轴对称、定常运动方程,能量方程,自由面切向、法向应力平衡条件迭代求解,首次考虑了边界形状的影响,得到了自洽的流区位形和流场、温度场、表面压强分布。一般说来,流区自由面呈弯月形。结果表明,只要表面张力数 C_a<1,静态平衡的流区位形就是动态情况的良好近似。本文还分析了C_a数及G_r 数对流区位形的影响,得到了不同 M_a 数及散热条件下的温度场和流函数分布。     

Numerical solution of free surface,porous flow problems

An inexpensive, finite difference numerical method is developed for the approximate solution of general, free surface, porous flow problems. The method is so designed that the required numerical boundary conditions coincide exactly with the required physical boundary conditions. In the present paper, application is made to prototype, steady state, dam flow problems.     

粉煤灰作为排水垫层筑坝的动力分析

淮南某电厂灰坝设计拟采用粉煤灰作为坝基排水垫层筑坝以节约资金。为研究其可行性,在已有的大量静力和动力特性试验研究基础上,对该灰坝在地震荷载作用下的动力反应进行研究。研究中以Biot波动方程为基础,考虑水土动力耦合作用和土体和非线性性质,引入地震孔隙水压力和残余变形项,把动力分析与动力渗流、液化发展及骨架变形加以综合考虑。研究表明,7°地震烈度条件下用本文配制的粉煤灰代替砂作为排水垫层筑坝是可行的。     

Deformation of Dupuit's parabola in a dam with sheet piling

If the flow in an earth dam is plane and steady, the shape of the phreatic surface can be approximated by Dupuit's parabola. Thin sheet piling in the dam, deforms the phreatic surface in the vicinity of the sheet piling and at its tip the hydraulic gradient is singular. If the length of the sheet pile is much smaller than the thickness of the dam, the flux through the dam per sheet pile length is equal to the undisturbed flux, whereas if the length of the sheet pile is much larger than the thickness of the dam the corresponding flux is negligible.     

A CFD model of frost formation based on dynamic meshes technique via secondary development of ANSYS fluent

To simulate the non-uniform frost growth in flow direction for humid air flowing through a freezing channel, a 2D numerical frosting model based on dynamic meshes technique is developed in the current work via the secondary development of commercial ANSYS Fluent. The computation domain consists of both frost layer and humid air regions, and the local heat and vapor fluxes at the surface of frost layer are determined by numerical temperature and vapor fraction fields in the humid air region rather than by empirical correlations. The frost layer is treated as a growing packed bed with heat and mass transfer dominated by molecular diffusion, where local absorption coefficient of vapor desublimation and local vapor fraction are both determined by solving the pseudo steady vapor diffusion equation with a source term theoretically. The interface of frost layer and humid air regions is treated as two walls for the iteration of its temperature, of which the humid air side is specified with the temperature equal to the frost-side counterpart and the frost side takes the heat flux including the extra latent heat caused by vapor deposit. User-defined functions are compiled to implement the above treatments to ANSYS Fluent. Frosting experiments in the literature are simulated with the current model for validation. How the profile of frost layer evolves with time in the frosting process is explored. The contours and profiles of velocity, temperature and vapor fraction are presented to discuss the effects of heat and mass transfer on frost formation. Numerical results demonstrate that the proposed CFD model can predict the frost growth and densification with a relative deviation less than 5% compared with experiments. Besides, the computation load of current model is small due to no solution of complex multiphase flow. In addition, dynamic meshes help current model to capture the interface of frost layer and humid air regions accurately.     

带喷流激波针流动特性实验研究

采用动态测力、动态测压和纹影等风洞实验技术,对加装了带喷流激波针的钝头体的绕流特性、稳定和非稳模态的形成条件和机理进行了研究.结果表明:带喷流激波针流场存在稳态和非稳态两种模态,超声速喷流的压比大于临界压比时流动处于稳定模态,反之则为非稳模态;增大激波针长度可减小钝头体阻力,但达到一定长度后,进一步减阻的效果不再显著;增大喷流压比能够有效减弱再附激波强度,有利于缓解单独激波针的肩部热斑问题;非稳模态下波系自激振荡对再附激波在钝头体表面所围的区域影响剧烈,振荡是周期性的,且存在确定的主导频率,主导频率随喷流压力比增大而减小;自激振荡的产生是由于喷流出口周围的反压在喷流压比小于临界压比时无法获得持续的平衡而导致.      

Trefftz method for hydrodynamic pressure on rigid dams with non-vertical upstream face

Based on a two-dimensional potential flow theory, earthquake-induced hydrodynamic pressures on a rigid dam with a non-vertical upstream face are examined by the Trefftz method. The effect of surface waves on the hydrodynamic pressure distribution is discussed in detail. Numerical values are given for different wave effect parameters and different geometries of the dam–water interface.     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON LIFT INCREMENT OF A PLASMA CIRCULATION CONTROL AIRFOIL

利用等离子体激励器发展了新型的环量增升技术,并对二维NACA0012翼型绕流实施控制。由于NACA0012翼型为尖后缘构型,环量增升装置由2个非对称型介质阻挡放电等离子体激励器构成。一个等离子体激励器贴附于翼型吸力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流沿来流方向指向下游;另一个等离子体激励器贴附于翼型压力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流与来流方向相反指向上游。在风洞中通过时间解析二维PIV系统对翼型绕流流场进行了测量,基于翼型弦长的雷诺数Re=20 000。结果表明在等离子体激励器的控制下,翼型压力面靠近后缘处可以形成一个定常回流区,从而起到虚拟气动外形的作用,因此翼型吸力面的流场得到加速,压力面的流场得到减速,使得翼型压力面的吸力以及压力面的压力都得到增加,进而增加了翼型的环量。风洞天平测力实验进一步验证了该环量增升技术的有效性。在整个攻角范围内,施加控制的翼型的升力系数相比没有控制的工况有明显的提高。     

混凝土面板堆石坝面板缝隙渗流计算模型研究

针对混凝土面板堆石坝面板接缝与面板裂缝的特点,基于等宽缝隙稳定流的运动规律,结合混凝土面板堆石坝的渗流机理,研究建立了面板接缝及面板裂缝的渗流计算模型,并用实例进行了验证。结果表明将等宽缝隙稳定流运动规律应用到面板接缝止水失效且面板产生裂缝情况下面板堆石坝的渗流分析中,可以获得较为准确的结果。且此方法计算过程简单,计算效率高,具有很大的实用性。