垫层的E/d对水电站蜗壳结构的影响分析

利用ANSYS大型有限元软件,建立垫层蜗壳结构的三维有限元模型,研究了结构自重和内水压力作用下垫层弹性模量与厚度比值E/d对水电站蜗壳结构的影响,给出了蜗壳外围混凝土、蜗壳以及座环的特性随垫层E/d变化的规律。结果表明:在有垫层区,蜗壳外围混凝土承载比、与蜗壳接触处混凝土切向应力随垫层E/d增大而增大,蜗壳应力以及最大相对变形量随垫层E/d的增大而减小,当垫层E/d确定时蜗壳结构外围混凝土承载比、与蜗壳接触处混凝土切向应力、蜗壳和座环应力以及蜗壳变形量一定,不会随E或d的变化而变化;在无垫层区,蜗壳外围混凝土承载比、与蜗壳接触处混凝土切向应力、蜗壳应力变形与垫层E/d无关。     

三维横向流体诱发直管振动的数值研究

基于计算流体力学和计算结构动力学,并考虑流体-结构两个物理场之间的相互作用,利用有限体积法及LES方法离散非稳态、粘性、不可压缩湍流流场;采用有限元方法离散结构动力学方程,结合动网格控制技术,建立了横向流体作用下传热管流致振动计算的三维仿真模型。首先,基于建立的模型得到了横流作用下传热管的振动响应,并通过与已有的文献数据进行比较发现,两者趋势一致、数值上吻合较好,证明了本文模型的合理性;其次,在较宽的折减速度和频率比范围内,研究了直管的响应、流体力系数、涡脱落频率,并通过管表面压力分布、尾流区的时均速度等分析了时均流场特性;第三,研究了两种折减速度的归一化方法,指出对于三维弹性管的流体诱发振动问题,采用通用的折合速度来表示响应图能清晰地表征其响应特征;最后,比较分析了弹性支撑刚性管与弹性管的流体诱发振动特性。结果表明,对于三维弹性管的流体诱发振动计算应考虑结构的弹性变形与流体流动间的相互作用。     

离心风机蜗壳在内部流场脉动压力激励下的动力响应研究

数值模拟了离心风机蜗壳在非定常气动载荷下的动力响应.首先考虑蜗壳与轮盘轮盖之间的间隙及轮盖处的内泄露,模拟了T9-19No.4A离心通风机内部三维非定常流场.然后将作用在蜗壳表面的非定常气动力加载给蜗壳模型,并采用有限元方法对蜗壳进行动力响应计算,实现了从流体到结构的单向耦合.最后将实验测量和数值计算蜗壳的振幅进行对比,结果吻合良好,表明本文的方法能够较为准确地模拟蜗壳在内部流场脉动压力激励下的动力响应.     

微纳米结构壁面对流场及动压润滑的影响研究

固体边界具有的微纳米结构将影响流体在近壁面处的流动行为,进而由于尺度效应改变流体在整个微间隙的流动或润滑规律.将壁面可渗透微纳米结构等效为多孔介质薄膜,采用Brinkman方程来描述流体在近壁面边界渗透层内的流动,并将其与自由流动区域的不可压缩流体Navier-Stokes控制方程耦合,在界面处的连续边界条件下求解和分析了速度分布规律和压力变化规律.针对恒定法向承载力的油膜润滑条件,进一步讨论了静止表面或运动表面的微纳米结构对近壁面流动行为的影响;并揭示了考虑壁面微纳米结构的流体动压润滑的油膜厚度和摩擦系数的变化规律.论文结果为具有可渗透微结构表面的微间隙流动与润滑提供了理论参考.     

线性与非线性流固耦合动力学数值方法的进展及应用（英文）

本文综述了线性与非线性流固耦合问题数值方法的进展及工程应用.讨论了四种数值分析方法:(1)混合有限元–子结构–子区域数值模型,以求解有限域线性流固耦合问题,如流体晃动,声腔–结构耦合,流体中的压力波,化工容器的地震响应,坝水耦合等;(2)混合有限元–边界元数值模型,以求解涉及无限域的线性流固耦合问题,如大型浮体承受飞机降落冲击,船舰的炮击回应等;(3)混合有限元–有限差分(体积)数值模型,以求解不涉及破浪和两相分离的非线性流固耦合问题;(4)混合有限元–光滑粒子数值模型,以求解涉及破浪和两相分离的非线性流固耦合问题.文中推荐分区迭代求解过程,以便应用现有的固体及流体求解器,于毎一时间步长分别求解固体及流体的方程,通过耦合迭代收敛,向前推进以达问题求解.文中选用的工程应用例子包含气–液–壳三相耦合,液化天然气船水晃动,人体步行冲击引起的声腔–建筑结构耦合,大型浮体承受飞机降落冲击的瞬态动力回应,涉及破浪和两相分离的气–翼耦合及结构于水上降落的冲击.数值分析结果与可用的实验或计算结果作了比较,以说明所述方法的精度及工程应用价值.文中列出了基于流固耦合的波能采积装置模型,以应用线性系统的共振及非线性系统的周期解原理,有效地采积波能.本文列出了231篇参考文献,以便读者进一步研讨所感兴趣方法.     

Developments of numerical methods for linear and nonlinear fluid-solid interaction dynamics with applications

本文综述了线性与非线性流固耦合问题数值方法的进展及工程应用. 讨论了四种数值分析方法: (1) 混合有限元-子结构-子区域数值模型, 以求解有限域线性流固耦合问题, 如流体晃动, 声腔-结构耦合, 流体中的压力波, 化工容器的地震响应,坝水耦合等; (2) 混合有限元-边界元数值模型, 以求解涉及无限域的线性流固耦合问题, 如大型浮体承受飞机降落冲击, 船舰的炮击回应等; (3) 混合有限元-有限差分(体积) 数值模型, 以求解不涉及破浪和两相分离的非线性流固耦合问题; (4) 混合有限元-光滑粒子数值模型, 以求解涉及破浪和两相分离的非线性流固耦合问题. 文中推荐分区迭代求解过程, 以便应用现有的固体及流体求解器, 于毎一时间步长分别求解固体及流体的方程, 通过耦合迭代收敛, 向前推进以达问题求解. 文中选用的工程应用例子包含气-液-壳三相耦合, 液化天然气船水晃动, 人体步行冲击引起的声腔-建筑结构耦合, 大型浮体承受飞机降落冲击的瞬态动力回应, 涉及破浪和两相分离的气-翼耦合及结构于水上降落的冲击. 数值分析结果与可用的实验或计算结果作了比较, 以说明所述方法的精度及工程应用价值. 文中列出了基于流固耦合的波能采积装置模型, 以应用线性系统的共振及非线性系统的周期解原理, 有效地采积波能. 本文列出了231 篇参考文献, 以便读者进一步研讨所感兴趣方法.     

空间狭缝流道粘弹流体流动的有限柱解法

空间狭缝流道在粘弹性聚合物成型加工中较为常见.针对流道特点,仅仅在流动平面内对速度采用形函数插值,在厚度方向采用傅里叶级数逼近流动分布函数,推导弱解形式的单元方程后,通过坐标变换得到整体坐标下的有限元方程系数矩阵,再集合成整体系数矩阵,从而建立了空间狭缝流动的有限柱解法.分别采用有限柱法和三维有限元对积分型K-BKZ本构模型粘弹流体在L型流道的流动进行求解,发现有限柱法与三维有限元的结果在整体上十分吻合.出口处流量分布的误差小于2%,流量的结果仅仅在流道收敛处略有差异,但差异仅局限于很小的区域.相比与三维有限元方法,有限柱法的单元数、计算时间和对内存需求大大减少.研究表明有限柱法是一种分析狭缝流动的简便有效的方法.     

离心风机蜗壳振动辐射噪声的数值预测

数值模拟了T9-19No.4A离心风机蜗壳在非定常气动力作用下的蜗壳响应振动及其噪声.首先给出该风机运行时振动及噪声的测量结果,得出基频噪声是主要噪声类型.然后使用CFD软件ANSYS CFX对风机内部流场做了整场瞬态数值模拟.流体压力脉动作用于蜗壳产生一个随时间变化的力,激励其振动,实现流体到结构的单向耦合.接着运用ANSYS multiphysics模块对风机蜗壳进行了谐响应分析,最后应用LMS SYSNOISE模拟了蜗壳振动向外辐射的噪声.     

线性与非线性流固耦合动力学数值方法的进展及应用

本文综述了线性与非线性流固耦合问题数值方法的进展及工程应用。讨论了四种数值分析方法：(1)混合有限元–子结构–子区域数值模型,以求解有限域线性流固耦合问题,如流体晃动,声腔–结构耦合,流体中的压力波,化工容器的地震响应,坝水耦合等;(2)混合有限元–边界元数值模型,以求解涉及无限域的线性流固耦合问题,如大型浮体承受飞机降落冲击,船舰的炮击回应等;(3)混合有限元–有限差分(体积)数值模型,以求解不涉及破浪和两相分离的非线性流固耦合问题;(4)混合有限元–光滑粒子数值模型,以求解涉及破浪和两相分离的非线性流固耦合问题。文中推荐分区迭代求解过程,以便应用现有的固体及流体求解器,于毎一时间步长分别求解固体及流体的方程,通过耦合迭代收敛,向前推进以达问题求解。文中选用的工程应用例子包含气–液–壳三相耦合,液化天然气船水晃动,人体步行冲击引起的声腔–建筑结构耦合,大型浮体承受飞机降落冲击的瞬态动力回应,涉及破浪和两相分离的气–翼耦合及结构于水上降落的冲击。数值分析结果与可用的实验或计算结果作了比较,以说明所述方法的精度及工程应用价值。文中列出了基于流固耦合的波能采积装置模型,以应用线性系统的共振及非线性系统的周期解原理,有效地采积波能。本文列出了231篇参考文献,以便读者进一步研讨所感兴趣方法。     

混凝土输送泵车臂架系统流固耦合振动分析

针对混凝土泵车的工作原理和结构特点,结合现有输送管流固耦合理论的研究成果,提出了基础有平动位移的悬臂输送管理论模型,并通过多体运动学理论和Hamilton变分原理,建立该模型的运动微分方程.采用有限单元理论建立混凝土泵车臂架系统的流固耦合运动微分方程.选取混凝土流速U=2.265m/s和不考虑混凝土流动进行对比仿真分析后发现:两者臂架振动响应均值相同;但稳态时两者振动幅值比值最大,接近2;而改变Rayleigh阻尼系数则对臂架振动响应影响不大,这说明混凝土的流动增加臂架振动阻尼效应显著.结合Matlab仿真分析与Ansys三维有限元模型,模拟计算出了臂架结构动应力,对比测点应力测试结果与模拟计算结果,两者应力历程变化趋势相似,应力值较接近,最大差异小于20MPa,验证了仿真模型的合理性.     

航行体水下发射流固耦合效应分析

对于水下发射过程来说,掌握水动力载荷形成机理与结构响应特征是一个亟待解决的问题.研究该问题需要考虑含相变的复杂多相流动,变约束的结构运动以及这二者之间的耦合效应.本文采用松耦合的方法,以流体求解器为主体,将自编的固体结构程序接入流体求解器中,在每个时间步长内分别对流体动力学方程和固体结构动力学方程进行求解,通过流固界面之间的数据交换实现耦合计算.其中,流体求解器基于雷诺平均纳维斯托克斯方程,采用单流体模型处理多相流问题,引入空化模型描述空化相变,采用修正的湍流模型模拟混合物的湍流效应,并采用动网格技术处理移动边界问题.航行体的刚体运动和结构振动分开求解.结构求解器采用等效梁模型描述结构的振动,通过坐标变换给出了随体坐标系下的结构振动方程,求解方法采用时域积分法.所建立的流固耦合方法不仅能够捕捉到自然空化的演化情况,还可获得航行体所受水动力、结构振动响应以及截面的弯矩,获得了实验的验证.基于该方法研究了结构刚度、发射速度对空泡溃灭与结构振动耦合效应的影响规律.结果表明,同步溃灭是影响结构载荷的主要因素,包括溃灭压力幅值,溃灭压力作用位置,以及溃灭压力与结构振动的相位关系.     

我国工程中边界元法研究的十年

边界元法的研究在我国开始于一九七八年,十年来取得了很大进展.这篇综述包括七个研究领域:(1)固体力学,(2)动力学问题,(3)流体流动、热传导及其他场问题,(4)流体结构相互作用问题的一些工程分析方法,(5)边界元-有限元耦合法,(6)工程中边界元法的一些数学和数值方法问题,(7)一些工程应用.作者简要地介绍了清华研究小组的工作,并力图给出我国有关工程研究十年发展的一个概貌....     

垂直轴自由变偏角水轮机的多体耦合数值求解方法

基于达朗伯原理建立了自由变偏角水轮机结构动力学模型,并结合粘性CFD方法,形成了一种用于分析自由变偏角潮流能水轮机水动力特性的多体耦合数值计算方法.将该方法与试验及非耦合算法进行了对比分析,并研究了自启动、流速变化和负载变化对水轮机性能的影响规律.研究表明:本文建立的数值计算方法能够有效模拟自由变偏角水轮机在各种非定常过程中的运动特性和动力特性.     

爆破冲击对早龄期混凝土强度影响的实验研究

以某大型全碎石填方机场工程为背景,针对早龄期混凝土受爆破振动损伤开展了实验研究。通过室内实验模拟场地爆破振动作用于早龄期混凝土试块,测量了不同龄期混凝土受振损伤后的强度。并将实验结果与有限元数值计算和现场爆破场地测试数据相结合,分析了早龄期混凝土损伤后的强度增长规律,建立了场地爆破与混凝土结构浇筑平行施工的安全技术指标。     

混凝土三维细观模型的建模方法与力学特性分析

根据混凝土材料的细观组成和结构特点，基于三维Voronoi图形提出了一种简单高效的混凝土细观模型生成方法，利用塑性损伤模型对该细观模型进行了单、多轴应力状态下的准静态分析以及SHPB动态有限元分析。结果表明，数值模拟得到的应力应变曲线和破坏模式与实验结果基本吻合，本文中提出的混凝土三维细观模型可较好地模拟混凝土的静、动态力学特性，为进一步从细观力学角度研究混凝土损伤演化规律和破坏机理提供了模型基础。     

考虑地震和过水条件下潘口电站厂房结构振动应力分析

部分已建水电站的运行实践表明:厂房振动问题是影响水电站正常运行的主要因素之一,它不仅直接影响到机组的安全稳定运行,缩短检修周期和使用寿命,严重时还会引起整个厂房的振动,以至被迫停机,这就需要在设计和建设过程中进行相应的研究,采取有效措施,尽量防止厂房振动的发生,将损失减小到最小.本文以潘口电站厂房结构为研究对象,通过对结构与理想流体耦合问题的分析,采用迦辽金法推导了具有压缩性流体与固体流固耦合问题的动力有限元分析模型,模型考虑了流固耦合问题的附连水质量问题,利用三维有限元分析了厂房结构自振特性和在地震荷载作用下结构的动力特点,对厂房整体结构共振进行校核和评估,提高电站安全运行和管理.     

输电杆塔螺栓连接区域局部结构有限元分析

利用ABAQUS有限元软件建立了500k V同塔双回输电线路塔线耦合体系模型,在不同脱冰率情况下对塔线体系的动力响应进行了数值模拟。分析了杆塔在各脱冰率下的受力情况并结合现场倒塔情况,确定了杆塔危险区域,建立了该危险区域局部结构三维有限元模型。将由塔线体系模型计算得到的危险区域边界的力施加于三维局部模型上,计算了该区域在导线脱冰过程中的应力。模拟研究连接螺栓预紧力不同的情况下危险区域的应力和变形,发现螺栓预紧力减小时杆塔容易破坏,这一结论对输电杆塔的设计和安装具有指导意义。     

输流管道动力有限元建模及实验研究

在输流管道系统中由结构-流体相互耦合作用导致的管道振动对工业生产的安全性、经济性具有重要影响。工程中常用有限元中的管单元建立管道动力学模型,用附加质量法或顺序耦合方法进行输流管道系统的动力学分析,这种建模和分析方法可能会造成管道中结构-流体相互耦合效应的缺失。本文搭建了输流管道系统的实验平台,分别在管道无水和充水两种状态下进行管道系统模态实验,并将实验结果分别与所建立的无水管道有限元模型和充水管道流固耦合模型分析结果进行了对比,验证了壳单元及实体单元管道动力学模型的合理性。通过实验和数值分析研究其动力特性发现：壳单元动力学模型更合理准确,管道系统由于流固耦合作用的影响产生了新的振动形态;附加质量法分析结果缺失了系统的某些低阶模态,表明了输流管道系统流固直接耦合动力学建模的必要性。     

基于反馈力浸入边界法模拟复杂动边界流动

浸入边界法是模拟流固耦合的重要数值方法之一。本文采用反馈力浸入边界方法,对旋转圆柱和水轮机活动导叶旋转摆动绕流后的动边界流场进行数值模拟。其中,固体边界采用一系列离散的点近似代替,流体为不可压缩牛顿流体,使用笛卡尔自适应加密网格,利用有限差分法进行求解。固体对流场的作用通过构造适宜的反馈力函数实现。本文首先通过旋转圆柱绕流的计算结果同实验结果进行对比,吻合较好,验证了该计算方法的可靠性。然后针对水电站水力过渡过程中水轮机活动导叶旋转摆动绕流后的动边界流场进行数值模拟,得到导叶动态绕流后的流场分布特性和涡结构的演化特性。     

基于特征分裂有限元准隐格式的共轭传热整体耦合数值模拟方法

共轭传热现象在科学和工程领域中大量存在. 随着计算能力的发展, 对共轭传热现象进行准确有效的数值模拟, 成为科学研究和工程设计上的重要挑战.共轭传热数值模拟的方法可以分为两大类: 分区耦合和整体耦合.本文采用有限元法对共轭传热问题进行整体耦合模拟. 固体传热求解采用标准的伽辽金有限元方法.流动求解采用基于特征分裂的有限元方法. 该方法是一种重要的求解流动问题的有限元方法, 可以使用等阶有限元. 该方法的准隐格式与其他格式相比, 具有时间步长大的特点. 将稳定项中的时间步长与全局时间步长分开, 改进了准隐格式的稳定性. 基于改进的特征分裂有限元方法的准隐格式, 发展了一种层流共轭传热数值模拟的整体耦合方法. 采用这种方法可以将流体计算域和固体计算域作为一个整体划分有限元网格, 并且所有变量都可以采用相同的插值函数, 从而有利于程序的实现. 通过对典型问题的模拟, 验证了这种方法的准确性. 本工作还研究了固体区域时间步长对定常共轭传热问题数值模拟收敛性的影响.