入水问题的Euler-Lagrange流固耦合数值模以技术研究

针对结构入水过程的特点,建立了一种把Eulerian计算过程和Lagrangian计算过程耦合起来的数值技术,编写了计算程序,把结构对水作用的过程和结构动力学响应过程的计算结合起来,实现了结构与水之间流固耦合作用过程的模拟.其中水、空气的运动利用Eulerian过程的流体弹塑性有限差分计算程序进行模拟,结构的运动变形利用Lagrangian过程的结构动力学有限元计算程序模拟结构响应.通过板入水问题的计算结果与商业软件计算结果进行比较,验证了计算方法对流固间相互作用处理的正确性.本文计算程序可用于一般入水问题的结构响应-流场运动分析中.     

柱状装药爆炸条件下厚壁圆筒爆室内 流场及结构动力响应分析

借助非线性动力有限元程序ANSYS/LS-DYNA,采用基于罚函数的流固耦合算法,对厚壁圆筒爆 室在柱状装药爆炸作用下的动态响应过程进行了数值模拟研究。分析了厚壁圆筒爆室内柱状装药爆炸非定 常流场的演化过程以及筒体的动力响应特征。给出了爆炸流场的压力云图、筒壁受到的爆炸压力峰值及冲量 的分布规律、筒体的等效应力云图以及等效应力的分布规律等。流场压力及筒体应变的计算结果与实测结果 吻合较好,并将动力响应的有限元计算结果与理论解进行了比较,证明轴对称平面应变假设下的理论解可以 给出问题的保守估算。分析表明,该厚壁圆筒爆室在柱状装药爆炸作用下在弹性范围内工作,爆室的强度设 计是安全的。     

NUMERICAL MODELING FOR FLUID-STRUCTURE INTERACTION UNDER BLAST AND IMPACT LOADING RESPONSE

建立了基于位移相等条件的流固耦合数值模拟程序框架,通过串联弱耦合方式对爆炸冲击波作用下流固耦合效应进行数值模拟. 其中非线性固体位移场采用基于Lagrange方法描述的时域间断伽辽金有限元方法进行处理. 基于修正弹簧近似的非结构动网格新技术,非定常流场采用格心格式的有限体积方法进行求解. 数值模拟结果表明: 该文所发展的弱耦合分析程序在流固耦合数值模拟过程中具有可靠的计算精度. 同时,程序对于爆炸强间断气动冲击载荷冲击作用下固体变形引起流场的反射和叠加效应, 以及流场变化引起复杂的固体响应具有良好的耦合求解能力.     

船用加筋板架爆炸载荷下动态响应数值分析

针对船用加筋板架复杂结构在爆炸冲击波作用下的动态响应 ,采用商用高动态非线性有限元程序MSC/Dytran ,讨论了大尺寸加强结构板架迎爆承载问题 ,提出了复杂板架结构爆炸冲击波作用下动态响应的有限元计算方法 ,并进行了模型试验。试验结果与计算结果吻合较好 ,验证了应用程序及计算模型参数的稳定性和可靠性。对加筋板架两种承载形式 (大尺寸加强构件迎爆或背爆设置 )在爆炸冲击波作用下的动态响应 (板架中心挠度和塑性分布 )差异的分析研究表明 ,大尺寸骨架 (纵骨和肋骨 )背向爆炸冲击波设置将分散爆炸冲击波的冲击作用、减小板架变形、增强其抵抗爆炸冲击波冲击的能力 ,使结构偏于安全。     

二维流体力学有限差分和有限元程序的耦合计算

根据压力和法向速度连续准则,将Euler方法为基础的MFPPM（Piecewise-Parabolic Method）程序和Lagrange方法为基础的DEFEL（2-D Finite ElementsCode,二维流体弹塑性动力有限元）程序进行耦合,发展了基于levelset的GEL（Ghost—fluid Euler-Lagrange）方法。该方法在处理大变形流场与小变形结构以及复杂流动与多物体相互作用等问题具有优越性。通过二维算例的计算结果与文献比较,检验了GEL方法和耦合程序的正确性,并对水下爆炸形成的流场对多物体作用过程进行了数值模拟。     

三维爆炸与冲击问题仿真软件研究

针对三维复杂爆炸流场的数值模拟,开发了欧拉型三维爆炸与冲击问题数值模拟软件EXPLOSION-3D,对该软件的三个组成模块即计算程序MMIC-3D、有限差分网格自动生成前处理程序MESH-3D和可视化后处理程序VISC-3D的基本理论和算法进行了讨论。以楼群中爆炸流场的三维数值模拟为例,采用该软件对大型爆炸发生后形成的爆炸场进行了数值模拟研究,得到一些有意义的数值结果,这些结果对于爆炸灾害的预防和评估具有重要的参考价值。     

爆炸荷载作用下地下拱形结构动力响应样条小波有限元研究

采用小波有限元方法研究爆炸荷载作用下地下结构的动力响应,克服在模拟过程中由于材料的奇异性、地质条件的复杂性和加载的快速性出现的应力集中和计算效率低下,根据样条有限点法,构造了单向和双向区间B样条圆环扇形小波单元,用尺度函数作为插值函数;结合工程实例,通过Matlab软件编程对爆炸荷载作用地下拱形结构的动力响应进行了数值模拟,并与应用传统有限元程序模拟结果进行对比。结果表明,小波有限元用很少单元取得了较高的精度,计算效率比传统有限元提高一倍。     

爆室内强爆炸中的流固耦合计算

为评估强爆炸的毁伤效应,在已有的辐射流体力学及结构动力学响应部分工作的基础上,本文采用流固耦合方法对耦合界面进行了处理,并考虑辐射输运引起的能量沉积过程,使得强爆炸产生的辐射波、冲击波和结构动力学响应两部分可以较好地耦合计算,从而能够较完整地模拟爆室内强爆炸的辐射流体动力学过程.计算结果与定性物理分析相符,证明了算法的...     

含双侧分支受限空间油气爆炸火焰行为与超压特性大涡模拟

为研究含分支结构狭长受限空间油气爆炸特性规律,基于大涡模拟WALE模型和Zimont预混火焰模型,对横截面为100 mm×100 mm的含双侧分支管道受限空间油气泄压爆炸特性进行了数值模拟。通过对火焰形态、火焰传播速度和动态超压3个物理量的对比,验证了所建立模型对于含分支结构受限空间油气爆炸计算的适用性。基于数值模拟结果,对爆炸过程中的流场结构、火焰形态和超压变化规律进行了分析,指出了“浪花状”火焰的形成原因。结果表明:（1）火焰传播进入分支管道前,在主管道和分支管道交界处会产生旋转方向相反的对称涡旋结构,并随着火焰传播不断向分支管道内部发展;（2）当火焰传播进入分支管道后,分支管道内部前期已建立流场决定了火焰的形态,火焰锋面在涡旋结构作用下呈“浪花状”,此后火焰和流场相互影响,流场向湍流转捩,火焰锋面褶皱变形;（3）爆炸超压升压过程可划分为4个阶段,受到火焰锋面面积和分支管道泄压共同作用,表明爆炸流场、火焰行为和动态超压呈现出显著耦合性。     

建筑物内气体爆炸效应简化计算研究综述

根据当前受限空间内气体爆炸效应的研究成果,综述了建筑物内气体爆炸事故发生时室内压力、结构荷载及动力响应的简化计算方法,内容包括室内气体爆燃压力及结构荷载特点、爆燃压力和结构响应计算模型等。重点阐述了基于实验数据的泄爆压力关联式和反映燃气爆燃主要物理过程的压力简化计算模型,并分析了各类计算模型的适用性、存在问题以及爆燃荷载特征对结构响应的影响;探讨了考虑建筑功能特点影响的工程简化计算模型,对建筑物内爆燃压力计算应重点考虑点火位置、爆室几何特征、火焰燃烧速率、湍流效应以及泄爆结构开启过程等因素;对爆燃事故中结构响应的计算,应考虑爆燃荷载时程、结构初始静载与动载耦合、结构支座边界受载变化等因素。     

GEL方法在一维双界面问题中的应用

用ghost-fluid Euler-Lagrange(GEL)耦合数值方法,对二维GEL计算程序(其中Euler流场计算采用以SCB格式编制的二阶计算程序,Lagrange域计算采用DEFEL二维动力有限元程序)进行扩展,将程序应用于多界面问题.算例为空气和水的一维双界面黎曼问题,获得了密度、速度和压力结果,并通过i...     

Euler-Lagrange耦合计算的GEL方法

研究了一种Euler-Lagrange耦合数值方法ghost-fluid Euler-Lagrange(GEL)方法,编写了GEL二维计算程序。其中Euler流场计算采用以SCB格式编制的二阶计算程序,Lagrange域计算采用DEFEL二维动力有限元程序。通过一维黎曼问题的计算结果与高精度PPM方法进行的比较,以及二维移动边界cylinder lift-off problem的计算结果与文献的对比,验证了GEL方法和本文程序的正确性。     

纳米颗粒在人类鼻腔中沉降率的研究

借助欧拉和拉格朗日方法数值模拟了纳米颗粒在人类鼻腔中的输运和沉降. 在采用有限体积法以及k-w湍流模型求解流场的基础上, 通过单向耦合的拉格朗日方法得出了水动力、热泳力和布朗力等综合作用下的纳米颗粒的运动轨迹以及沉降率. 研究发现, 非常微小的纳米颗粒在鼻腔内的沉降率非常高; 粒径在1~10nm的纳米颗粒在鼻腔中的沉降率从80%降至18%; 粒径在10sim150nm之间的纳米颗粒在鼻腔中的沉降率变化很小,且其值介于15%~18%之间.      

入水后爆炸问题的数值模拟技术

应用各种数值计算方法及计算处理技术,编制程序实现了对弹体入水后爆炸问题全过程的数值模拟.其中弹体与水,爆轰产物气体与弹壳之间的相互作用通过流固耦合技术来描述;水面与空气、爆轰产物与水、空气之间的相互作用采用VOF方法(Volume-of-Fluid)来描述;采用了刚体-柔体转换、单元失效删除等计算技术以更高效、更好地模...     

聚能射流三维数值模拟

研究三维多介质界面处理及数值模拟问题。采用拉格朗日法、欧拉法相结合的方法在矩形网格上离散差分基本方程组;在欧拉步中引入模糊方法处理界面,计算各输运量;编写了数值模拟程序,并对线型装药金属罩聚能射流模型进行模拟。证明模糊界面描述和模糊输运计算有效、可行。     

爆炸冲击波绕流的三维数值模拟研究

对爆炸冲击波绕流问题采用可压缩流体模型建立了质量、动量和能量的偏微分守恒方程组,基于多物质流体Euler型算法, 采用算子分裂格式, 运用体积份额法处理多介质界面, 用自行开发的三维数值模拟程序MMIC3D模拟计算了三维空中爆炸的爆源附近和爆炸场中冲击波流场的发展规律, 研究了挡墙拐角处绕流的形成和变化情况, 分析比较了挡墙的位置、形状对挡墙后爆炸冲击波的影响, 并与经验公式进行了比较研究. 数值计算基本符合物理规律,说明文中采用的模型和算法是合理的, 为工程设计减压设施提供了数值计算依据．      

空气自由场中强爆炸冲击波传播二维数值模拟

编写了适用于模拟具有高密度比、高压力比的强激波问题的二维柱对称多介质流体计算程序。利用有限体积方法求解流体的Euler方程组,采用level set方法捕捉爆炸产物与空气的运动界面,并通过求解物质界面两侧Riemann问题的精确解来计算爆炸产物与空气之间的数值通量。研制了三角形网格自适应技术来实现网格的自动加密和粗化,在保证捕捉激波峰值的前提下有效地提高了计算效率。利用计算程序对1 kt TNT当量的空气自由场强爆炸问题进行数值模拟,计算得到的峰值超压、冲击波到达时间等物理参数与点爆炸理论结果基本一致。     

Prolonged simulation of near-free surface underwater explosion based on Eulerian finite element method

In the area of naval architecture and ocean engineering, the research about the underwater explosion problem is of great significance. To achieve prolonged simulation of near-free surface underwater explosion, the underwater explosion transient numerical model is established in this paper based on compressible Eulerian finite element method(EFEM). Compared with Geers–Hunter formula, EFEM is availably validated by simulating the free-field underwater explosion case. Then, the bubble pulsation and flow field dynamic characteristics of the cases with different underwater explosive depth are compared in this work. Lastly, the height of the water hump and the pressure of flow flied are analyzed quantitatively through the simulation results.     

Experimental and numerical study of shock wave propagation in water generated by pulsed arc electrohydraulic discharges

The objective of this study is to simulate the propagation of the shock wave in water due to an explosion. The study is part of a global research program on the development of an alternative stimulation technique to conventional hydraulic fracturing in tight gas reservoirs aimed at inducing a distributed state of microcracking of rocks instead of localized fracture. We consider the possibility of increasing the permeability of rocks with dynamic blasts. The blast is a shock wave generated in water by pulsed arc electrohydraulic discharges. The amplitude of these shock waves is prescribed by the electrohydraulic discharges which generate high pressures of several kilobars within microseconds. A simplified method has been used to simulate the injected electrical energy as augmentation of enthalpy in water locally. The finite element code EUROPLEXUS is used to perform fluid fast dynamic computation. The predicted pressure is consistent with the experimental results. In addition, shock wave propagation characteristics predicted with simulation can be valuable reference for design of underwater structural elements and engineering of underwater explosion.     

混凝土中爆炸应力波衰减规律的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的多物质ALE算法,开展混凝土中爆炸波衰减规律的数值模拟研究。首先,基于已有实验数据对材料模型参数和数值算法的可靠性进行了验证,在此基础上分析球形装药在混凝土自由场中爆炸波衰减规律,利用量纲分析和数值模拟拟合了球形装药在混凝土自由场中近区爆炸波峰值应力计算公式并明确其适用范围;然后,分析装药埋深对混凝土中装药正下方不同距离处爆炸波峰值应力分布的影响,建立了耦合系数与装药埋深和测点距离之间的定量关系。结果表明:Kong-Fang混凝土材料模型可实现对混凝土中爆炸波传播衰减规律的高精度数值模拟;定义混凝土中装药质量系数和耦合常数,可定量描述装药埋深和测点距离对峰值应力耦合系数的影响;建立的混凝土中近区爆炸波峰值应力计算公式可较准确地快速预测不同装药埋深、不同测点距离和不同混凝土强度时爆炸波峰值应力。研究结果可为混凝土结构抗爆设计和爆炸毁伤评估提供参考。