基于自适应直角网格的二维全速势方程有限体积解法A finite volume method for 2D Full-Potential equation on adaptive Cartesian grids

为满足亚声速和跨声速飞机概念设计中快速气动计算的需求,研究和发展一种基于自适应直角网格的非线性全速势方程有限体积解法。要点如下。（1）在几何自适应直角网格的基础上,使用结合单元融合的网格切割算法处理物面边界,提出一种修正非贴体切割网格的方法。（2）采用隐式格式结合GM RES算法求解该非线性位流方程,针对流场的自适应来捕捉激波。（3）采用镜像法处理物面边界处的无穿透条件,并提出解析的方法来修正镜像单元的值。（4）针对直角网格的特点,提出在库塔线上插入库塔单元的方法施加库塔条件。NACA0012翼型绕流的算例结果表明,该方法用于亚声速和跨声速气动计算能得到令人满意的结果,且自动化程度高、收敛速度快。     

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力学既是应用性很强的技术科学,更是一个深藏玄机的基础科学.力学是人类各种奇思妙想纵横驰骋的天堂,也是催牛成千上万发明家和设计师的温床.基础力学竞赛,依托这样极富内涵的学科领域,在活跃学牛创新思维,拓展学生创新视野,培养学生科学品质,锻铸学生团队意识,推进教学改革与教育创新方面大有作为.     

局部削弱压杆的稳定性实验研究

因为缺乏相关的理论和实验研究,局部削弱压杆的临界载荷通常按无削弱压杆处理.工程中,局部削弱压杆的使用极为普遍.对局部削弱压杆的稳定性的定量研究结果,无论是工程中,还是材料力学教学中都是迫切需要的.本文在前人理论研究的基础上,对局部削弱压杆的临界载荷作了定量的实验研究.试验结果表明,对细长压杆,即使削弱部分的刚度下降达到38.9%,对失稳临界载荷的影响仍可忽略;试验结果与黄玉珊提出的对局部削弱压杆稳定性的定量计算方法也比较接近.研究结果对部分工程问题和材料力学教学都具有一定的指导意义.     

渗流自由面分析的比例边界有限元法

为确定渗流自由面,利用比例边界有限元法对二维稳定渗流场进行分析.通过比例坐标与直角坐标之间的转换,推导渗流问题的比例边界有限元方程.利用比例边界有限元空间降低一个维度,并在降维方向保持解析的特点,只对求解域边界进行离散.当比例中心选在坝体上游直线边界和坝体下面不可渗透直线边界交点时,只需离散自由面及其下游边界.并给出一种控制溢出点的控制点法.对二维坝体的稳态渗流场自由面问题进行分析并与实验结果比较.结论表明,该方法收敛快、结果较精确、数据准备工作量小.     

基于主列筛选的动态测试传感器配置方法研究

动态测试是获取结构真实动态特性的重要手段之一,传感器配置对于保证动态测试数据的信息量有着重要的影响. 尤其是对以试验模态分析为目标的动态测试,传感器配置对于模态分辨率更是决定性因素. 在振型独立性的基础上,提出了一种基于主列筛选的传感器配置方法. 与现有的逐步累积类或逐步消减类方法相比,该方法无需迭代,一次选择所有测试自由度,计算量小. 为了量化比较传感器配置的效果,定义了4个度量指标. 采用卫星天线模型进行了数值仿真,结果验证了基于主列筛选的传感器配置方法的有效性.      

非结构网格热化学非平衡辐射流场数值计算

针对三维热化学非平衡辐射流场设计了基于非结构网格的数值计算方法. 根据原子分子光谱理论逐条计算了100$\sim$1\,500\,nm间N, O, N$^{ + }$, O$^{ + }$的谱线以及N计算流体力学; 辐射; 热化学非平衡; 非结构网格; 有限体积法针对三维热化学非平衡辐射流场设计了基于非结构网格的数值计算方法.根据原子分子光谱理论逐条计算了100～1 500nm间N,O,N+,O+的谱线以及N2,O2,NO,N+2等分子的10个谱带,特别分析了NO的β'带,γ'带,δ带和ε带的辐射特性.采用耦合辐射的双温模型计算热化学非平衡流场,辐射源项通过直接求解辐射输运方程RTE(radiative transport equation)获得.在空间和方向上分别离散后,利用有限体积法求解不同方向上的辐射输运方程.计算得出了再入飞行器前驻点的辐射强度分布.采用该数值方法计算了MUSES-C模型在速度为11.6km/s时的绕流流场及前驻点处的辐射热流密度.并通过对比分析了热辐射对流场的影响.     

基于疲劳传感器的大型桥梁载荷谱检测研究

提出基于同一倍增器上双疲劳计的桥梁载荷谱检测方法,将疲劳传感器上两个疲劳计以不同方向粘贴得到不同放大系数,由恒幅标定数据和等效原理用插值方法得到复杂加载下疲劳响应计算方法,并根据桥梁载荷谱的瑞利分布特点,得到该分布下的疲劳响应计算方法.采用倍增器的双疲劳计结构设计,利用疲劳计响应的非线性特性,得到疲劳传感器电阻变化与桥梁瑞利载荷谱的对应关系.本文疲劳试验表明,试验载荷谱与预测载荷谱相当吻合,所设计的疲劳传感器性能良好,能够满足桥梁疲劳载荷检测要求.该传感器的检测原理提供了一种新的工程疲劳检测方法,它较目前采用的其它方法效率高、精度好,适用于长期疲劳监测.     

用DES数值模拟分离绕流中的旋涡运动

脱体涡模拟(Detached-Eddy Simulation,DES)是近年来出现的一种结合雷诺平均方法和大涡数值模拟两者优点的湍流模拟方法.采用基于Spalart-Allmaras方程模型的DES方法,数值求解Navier-Stokes方程,模拟绕流发生分离后的旋涡运动.其中空间区域离散采用有限体积法,方程空间项和时间项的数值离散分别采用Jameson中心格式和双时间步长推进方法.通过模拟圆柱绕流以及翼型失速绕流,观察到了与物理现象一致的旋涡结构,得到与实验数据相吻合的计算结果.     

一种新的大位移井钻柱几何非线性分析方法

提出了基于实测的井深及相应的井斜角和方位角来获得确保井内钻柱参考构形长度不变的井眼轴线插值方法．当以空间大位移井的井眼轴线为钻柱的参考构形时,钻柱内的初始内力可以由井眼轴线的曲率和挠率确定．利用基于在空间自然坐标系下的包含所有单元刚体位移和常应变模式的位移函数,严格地按虚功原理推出了具有初始曲率和挠率的钻柱单元内由初始内力所引起的等效节点力计算公式,为大位移井钻柱的几何非线性处理提供了理论依据．澄清了钻柱有限元分析中的若干基本概念．为随后进行的以井眼轴线为参考构形的小变形分析,计算钻柱的自重和基于自然坐标系下的线性刚度矩阵及一致载荷列阵提供了保证．     

边界层流动中湍斑的直接数值模拟

用Navier-Stokes方程直接数值模拟平板边界层流动中湍斑的形成和演化过程.发展了模拟湍斑的高精度、高分辨率的高效计算方法,包括推出四阶时间分裂法以提高精度;提出三维耦合差分方法,用于关于压力的泊松方程和关于速度的亥姆霍兹方程的空间离散,建立其四阶三维耦合中心差分格式;并采用四阶紧致迎风差分格式,避免了一般四阶中心差分格式不适用于边界邻域的困难和提高了分辨率;精心地处理各种边界条件,以保持精度和稳定.该方法适用于包含边界邻域的整个区域内的湍斑模拟.通过模拟平板边界层流动中湍斑的复杂演化过程,显示了湍斑的基本特征.