复杂几何边界三维粘性内流问题的计算方法及算例

一、引言 本文企图发展一种能够计算具有复杂几何边界三维粘性内流问题的通用方法,为深入研究叶轮机械内部流动损失机理打下一定的理论基础。为此,本文首先对求解三维粘性流动问题的数值方法进行了探讨,发展了以速度逆变分量为求解变量,在任意非正交曲线坐标系下求解三维定常不可压缩时均N-S方程以及K-ε双方程紊流模型方程的有效数值方法。然后利用本文作者提出的计算三维内流问题的通用附体坐标系,完成了一套计算三维粘性内流问题的通用方法和计算机程序。为检验本文发展的数值分析方法的通用性和精度,对几种不同的流动问题进行了计算,结果令人满意。     

水平变化波导中一种声场计算方法的数值实现

全局矩阵方法计算水平变化环境中的声场具有稳定性好、速度快、精度高等优点,在数值实现中如何快速、准确的求解大规模矩阵是该方法的一个关键问题。本文针对全局矩阵的特点,分别利用两种矩阵求解器,PARDISO和LAPACK,求解该问题。经过比较和讨论,得出结论:LAPACK对于全局矩阵的求解更有优势,求解速度快,而且可求解问题规模相对较大。使用不同的数值实现方法计算了楔形波导的传播损失(ASA标准问题),与解析解比较,证明全局矩阵方法计算精度很高。     

利用拉格朗日第二类方程求正交曲线坐标系下的加速度

在正交曲线坐标系下计算加速度，因为涉及变矢量的求导问题，一般计算比较复杂．即使用张量方法计算也不简单．本文从第二类拉格朗日方程出发，推出了一个计算正交曲线坐标系下求加速度的公式．用此法计算便捷，出错的可能性减小．     

在非交错网格上求解非正交曲线坐标系下N-S方程

介绍一种在非交错网格上,求解非正交曲线坐标系下的流动控制方程的方法。为解决在三维非正交曲线坐标系下采用非交错网格时所遇到的压力波动问题,将一种网格界面速度插值方法进行推广,并导出了相应的计算公式。运用所建立的方法对90°方截面弯管流动问题进行了数值模拟。结果是令人满意的,从而表明计算方法及所开发程序的可靠性。     

水平变化波导中的全局矩阵耦合简正波方法

提出了一种新的水平变化波导中声场的耦合简正波求解方法,该方法能够处理二维点源和线源问题,提供声场的双向解。该方法利用全局矩阵(DGM)一次性求解耦合模式的系数,消除了传播矩阵递推求解中存在的误差累积问题;此外,改善了现有模型中对距离函数的归一化方法,从而避免了泄露模式指数增长导致的数值溢出问题。本文还给出了绝对软海底理想波导中耦合矩阵的闭合表达式,并分析了单个阶梯下简正波耦合现象。此外,本文还计算了理想楔形波导中的声传播问题(ASA标准问题),并与解析解及COUPLE07计算结果进行了比较,结果表明该方法是一种稳定、精确的水平变化波导中的声场计算方法。      

采用能量守恒和高阶Padé近似的三维水声抛物方程模型

为了充分考虑海底地形随三维空间变化的海洋环境中水平方位角耦合效应对声传播的影响,建立了一种三维柱坐标系下流体高阶抛物方程算法。该算法采用泰勒近似将二维方根算子分裂成一维方根算子,并采用分裂步进的高阶Pade近似将一维方根算子写成微分算子有理分式连乘的形式,进而应用Galerkin离散化方法来处理微分算子,最终将微分方程写成矩阵方程的形式;采用能量守恒近似来处理海底边界,以考虑复杂海底对于声传播的影响;采用交替方向隐式格式,实现了三维声场的步进计算。楔形和海底山等典型海域声场仿真计算表明,相比于已有的声场计算模型,三维柱坐标系下高阶抛物方程模型可以更加精确地计算楔形海域和海底山区域的三维声场,实现水平方位全空间声场计算。     

海洋声学中三维抛物方程非均匀网格模型

在海洋声学中,三维抛物方程模型可以有效考虑三维空间的声传播效应。然而,采用三维抛物方程模型分析三维空间内的声传播问题时,计算时间较长,并且需要消耗较大的计算机内存,因此给远距离声场的快速精确计算带来了很大困难。为此,将非均匀网格Galerkin离散化方法用于三维直角坐标系下的水声抛物方程模型中,深度算子和水平算子Galerkin离散方式由均匀网格变为非均匀网格。仿真结果表明,三维直角坐标系下非均匀网格离散的抛物方程模型,在保持计算精度、提高计算速度的同时,可以实现远距离声场的快速预报。另外,针对远距离局部海底地形与距离有关的三维声传播问题,给出了声场快速计算方法;在海底保持水平的区域,采用经典Kraken模型,重构抛物方程算法的初始场,随后依次递推求解地形与距离有关海底下的三维声场。采用改进模型,证明了远距离楔形波导声强增强效应。      

正交曲线坐标系中加速度的矢量求法

利用矢量法,给出一种求解正交曲线坐标系中加速度的简捷方法。     

涡轮叶栅气热耦合数值模拟

本文建立了透平机械叶栅流场与叶片温度场的气热耦合计算模型,编制了三维非正交曲线坐标系下的温度场求解程序,计算了实心及空心叶片的温度场分布。介绍了区域分解方法在耦合计算及并行计算中的应用,以矩形区域温度场求解程序为例研究了程序的并行化,最后进仃了叶栅流场计算与叶片导热计算程序的分区耦合计算。     

圆柱腔低频声场的球谐函数分解及声场再现

针对圆柱腔低频声场的球谐函数分解,提出了基于移动式球形传声器阵列(简称球阵)测量的空间域直接求解法。利用空间域测量数据,在压缩感知(Compressive Sensing,CS)理论框架下通过一次线性方程组求解,获得整体坐标系下的声场展开系数。首先讨论了感知矩阵的列相关性,比较不同球阵形式及球面采样点数目,不同球谐函数截断阶数以及空间测量位置等的影响。随后在飞机舱室模型内利用文中提出的方法求解声场展开系数,再现腔内水平面的声压分布,并与传统球坐标变换方法做比较。实验结果表明,利用空间域直接求解法,通过球面随机挑选10个采样点的刚性球阵在声腔3个位置进行声场测量,不仅能够有效求解声场展开系数,而且声场再现精度更高,同时计算效率也显著提高。      

偶极横波远探测典型地质体解释模型研究及应用

偶极横波远探测技术是近年来发展起来的一门重要的地球物理测井技术,它把常规测井技术的测量范围从井周1 m左右提高到几十米,在井旁裂缝和孔洞等地质体的探测中取得了较好的应用效果。本文根据偶极横波辐射声场和接收声场的互易性,提出了一种快速计算井旁地质体反射声场的解析方法——远场渐近解,实现井旁孔洞、裂缝等典型地质体反射声场的快速计算,分析了不同地质体的远探测成像特征,在此基础之上,与已有实际井资料结合建立了偶极横波远探测的解释模型,并将其应用于海上实际井旁地质体评价。应用结果表明,偶极横波远探测解释模型可用于海上缝洞型地层识别、井旁断层或断裂带判断等,效果明显。     

矩形单元声场波函数构造及其应用

在波叠加法中,结构外部声场是在离散边界上对Green函数进行积分并叠加得到,但数值积分的计算效率较低。而等效源法虽然提高了计算效率,但其面源简化为点源的过程中存在较大的积分近似误差。针对上述两种方法的缺陷,构造了一种波函数以替代离散单元关于Green函数积分的声场。首先,利用球坐标系下Helmholtz方程的解,推导了替代矩形单元积分的一般形式波函数及效率更高的内推波函数。其次,当离散单元为正方形时,将其近似成圆形域,进一步简化了内推波函数的表达式。最后,将所构造的波函数应用于声场计算。数值结果表明,在计算单个矩形单元外部辐射声场时,构造的波函数不仅保证了计算精度,而且相比于直接积分大幅度提高了计算效率。其中,矩形域一般形式和内推形式的波函数计算效率是直接积分的5～6倍,圆形域内推波函数计算效率达到了直接积分的12～13倍。在简支板声源和立方箱体辐射声源数值算例中,圆形域内推波函数在整个计算频段的声场计算精度均高于等效源法。     

粗糙海面对高斯分布激光光束的反射模型推导

研究激光光束海面反射光强的方向分布特性对海上光电对抗等领域的工程实践具有重要意义.本文采用分形方法模拟粗糙海面,并在海面基准坐标系中建立起描述粗糙海面几何特征的数学方程,然后基于蒙特卡罗方法模拟高斯光束,依据几何光学原理在基准坐标系下推导了高斯光束的海面反射模型,采用该模型可以编程计算激光光束海面反射光强的方向分布.将模拟计算结果与实验结果进行了对比分析,结果表明该模型可以较好地反映激光光束海面反射光强的分布趋势,验证了模型的有效性.     

基于物理光学法的建筑物内高功率微波耦合场分布计算

利用物理光学法计算了高功率微波在建筑物内的耦合场分布。根据建筑物墙壁和窗户的透射率可以得到墙壁内侧的透射场,将它代入到矢量衍射公式中直接计算出在整个建筑物内的透射场;根据建筑物地面的反射率得到地板表面的反射场,将它代入到矢量衍射公式中可计算出整个建筑物内的反射场;对透射场与反射场进行矢量相加,得到叠加场。将本文方法得到的场分布情况和时域有限差分法得到的场分布进行比较,二者结果一致。物理光学法的优点在于其物理图像清晰,计算量小,计算速度快,适合应用在大型建筑物内部耦合场分布计算上。     

A High-Efficiency Spectral Method for Two-Dimensional Ocean Acoustic Propagation Calculations

The accuracy and efficiency of sound field calculations highly concern issues of hydroacoustics. Recently, one-dimensional spectral methods have shown high-precision characteristics when solving the sound field but can solve only simplified models of underwater acoustic propagation, thus their application range is small. Therefore, it is necessary to directly calculate the two-dimensional Helmholtz equation of ocean acoustic propagation. Here, we use the Chebyshev–Galerkin and Chebyshev collocation methods to solve the two-dimensional Helmholtz model equation. Then, the Chebyshev collocation method is used to model ocean acoustic propagation because, unlike the Galerkin method, the collocation method does not need stringent boundary conditions. Compared with the mature Kraken program, the Chebyshev collocation method exhibits a higher numerical accuracy. However, the shortcoming of the collocation method is that the computational efficiency cannot satisfy the requirements of real-time applications due to the large number of calculations. Then, we implemented the parallel code of the collocation method, which could effectively improve calculation effectiveness.     

采用分布式球形阵列的球谐波域声场分离方法

为从测得的混合声场信号中提取出需要的目标声场,提出一种基于分布式球形传声器阵列的声场分离方法。该方法依据声场的球谐波分解,利用阵列各传声器采集到的声场声压信号,获得目标声场与干扰声场的球谐波展开系数,进而估计目标声场。该方法利用声场以不同中心展开的球谐波系数之间的变换关系,直接建立传声器测量声压信号与整体坐标系下声场展开系数的方程,与传统的分布式球形阵列声场分离方法,即先求解局部坐标系下声场展开系数,再变换为整体展开系数的方法,进行比较。分别通过数值仿真和实验说明了提出方法的有效性。结果表明:该方法能够从混合声场中较准确地估计出目标声场,并且在干扰声场能量增大时,保持了较小的声场估计误差,相比于传统方法误差增加更少。     

深海海底反射区声场的相干结构及其有源声呐估距

有源声呐在探测深海海底反射区的目标时,由于声线大掠射角弯曲且声速沿声线传播路径不断变化,造成了常规估距方法产生较大的误差。有效声速法是减小常规估距方法误差的有效途径,但由于需要预先计算空间每一位置点的"声线时延有效声速"对,复杂度高,实时性差。针对有效声速法的实时性问题,本文基于深海海底反射区声场的相干结构,提出一种改进的有效声速估距方法.首先指出深海声场能量沿声源出射角强弱相间变化及其引起的海底反射区离散声呐可探测区现象,并利用深海近水面声源的声线干涉效应解释了该现象的物理机理,建立了声呐可探测区与高能量声线的量化关系。在此基础上,计算声呐可探测区边界位置的"声线时延-有效声速"对,并线性拟合出可探测区所有位置点对应的值。经仿真验证,该方法与传统的有效声速法均可实现对常规估距方法估距误差的有效校正。虽然该方法估距精度较传统的有效声速法略有增大,但计算复杂度和计算时间显著减小,实时性好,具有良好的工程应用前景。      

部分浸没圆柱壳声固耦合计算的半解析法研究

部分浸没圆柱壳-流场耦合系统的声振分析是一种典型的半空间域内声固耦合问题,其振动及声学计算目前主要依赖于数值方法求解,但无论从检验数值法还是从机理上揭示其声固耦合特性,解析或半解析方法的发展都是不可或缺的.本文提出了一种半解析方法,先将声场坐标系建立在自由液面上,采用正弦三角级数来满足自由液面上的声压释放边界条件;接着基于二维Flügge薄壳理论建立了以圆柱圆心为坐标原点的壳-液耦合系统的控制方程;然后再利用Galerkin法处理声固耦合界面的速度连续条件,推导得到声压幅值与壳体位移幅值之间的关系矩阵并求解该耦合系统的振动和水下声辐射.与有限元软件Comsol进行了耦合系统自由、受迫振动和水下辐射噪声计算结的对比分析,表明本文方法准确可靠.本文的研究为解析求解弹性结构与声场部分耦合的声振问题提供了新的思路.     

Effects of sediment acoustic characteristics on low-frequency acoustic field distribution in shallow water

Most of the published literatures on low-frequency underwater sound propagation are focused on the sound propagation features in the water column,while studies on sound propagation features in the sediment layer or the semi-infinite basement are rare.In this paper,based on the wave equation,a computational model for sound energy flux in the sediment layer and the basement as well as in the water column is proposed under a cylindrical coordinate system.On this basis,the effects of various sediment acoustic parameters on the sound energy distribution and the corresponding mechanisms are elaborated through numerical examples and acoustic theory.Simulation results reveal that,in a situation where sediment P-wave speed>water sound speed> sediment S-wave speed,the greater the values of density and P-wave speed in sediment,the more likely it is that the sound energy remains in the water column without leaking to the sea floor.Conversely,the influence of the variation of S-wave speed is reversed.Basement influence on the sound propagation in the fluid layer is approximately negligible if the sediment layer is sufficiently thick.