压电光声技术检测非均匀材料热物性的理论研究

利用压电光声技术研究了测量非均匀材料性能的理论和实验方法,通过两种基本的数学变换,得到了非均匀材料和相邻介质的温度场的表达式,进而在非均匀材料的热扩散率按指数规律变化的前提下,得到了非均匀材料温度场的解析表达式。根据压电光声检测理论,得到了非均匀材料的压电信号的解析式,这样即可通过压电光声检测系统,在不同的频率下测得非均匀材料的光声信号,通过最小二乘法的非线性拟合,确定出非均匀材料热扩散率的分布。该方法具有计算量小、实验简单等特点,并给出了有关的理论模拟和实验结果,验证了理论的正确性。     

一种超高速发射实验装置的改进及其数值模拟

 以流体比容方法和三阶PPM方法为基础,给出了适用于三级气炮超高速发射过程数值模拟的多流计算方法和计算代码MFPPM。利用Sandia实验室一系列的实验装置及其结果对计算代码进行了验证和确认,获得了较好的数值模拟结果（其中最大相对误差为1.07%）,同时对冲击波物理与爆轰物理实验室设计的实验装置进行了数值模拟,计算结果与实验结果相差1.04%。为了更好地满足超高压下材料状态方程的测量,提出了一种带汇聚型的改进装置设计,并给出了相应的数值模拟结果。     

低维材料物性的非均匀应变调控

探索低维材料的新奇物性是当前凝聚态物理和材料科学基础研究的一个重要前沿.应变是调控低维材料物性的一个重要手段.相比于块体材料,低维材料通常具有良好的力学柔韧性,并表现出敏锐的结构-电子响应关系,因此可以通过结构变形对材料电子性质进行有效调控.本文主要目的是介绍二维材料中通过非均匀应变获得新奇物性的研究进展.主要讨论两个效应,即赝磁场效应和挠曲电效应.具体来说,通过解析理论、实验进展、计算模拟以及围绕这些效应的应用等方面介绍相关研究进展.从计算模拟的角度看,由于非均匀应变破坏了晶体的平移对称性,基于周期性边界条件的量子力学计算方法如第一性原理不再适用.本文将介绍一个专门用来模拟非均匀应变的原子级计算方法,即广义布洛赫方法,并简要介绍该方法的一些具体应用.     

高速开式离心泵内部的流动特性研究

基于N-S方程应用标准的k-ε湍流模型对高速开式离心泵进行三维湍流数值模拟,得到了流道内的压力场、速度场的变化规律,揭示了回流等流动现象,验证了液流冲击、流动不均匀和回流是开式叶轮效率低的主要原因;通过对蜗壳进口速度和压力沿周向分布的分析看出分布呈现明显的波动特征,验证了叶轮与蜗壳的干扰所造成的周向流动的不均匀性是非常强烈的。预测出其性能曲线,计算与试验结果吻合良好,证明该计算方法具有较高的可靠性。     

碎片云问题的三维欧拉数值模拟

针对材料超高速碰撞产生碎片云问题进行了多介质弹塑性流体力学欧拉方法数值模拟,介绍了所采用的数学模型、材料模型及相应的计算方法,模拟了铝球超高速碰撞铝板和斜铜柱高速撞击铝板形成碎片云的实验现象。进行了不同碰撞速度下模拟的碎片云形状和实验结果比较,利用经验公式对数值模拟的板靶开孔尺寸进行了分析。数值结果与实验结果、经验公式结果比较,说明多介质弹塑性流体力学欧拉方法能够较好地模拟超高速碰撞产生的碎片云问题,验证了数值方法的有效性。     

基于OpenFOAM的投影法磁流体求解器开发与验证

在开源计算流体力学C++工具包OpenFOAM环境下开发了低磁雷诺数条件下的磁流体求解器,并进行了验证。采用投影算法求解动量方程和压力泊松方程;采用非结构网格同位相容守恒算法求解电势泊松方程、感应电流和洛伦兹力;采用边界耦合方法求解流固耦合电势场。通过对均匀磁场下导电方管和导电圆管内的完全发展磁流体层流的数值模拟和解析解的对比,对求解器进行了验证。进一步对非均匀强磁场作用下导电方管和导电圆管内完全发展磁流体层流进行了数值模拟,并与ALEX实验结果进行了比较。数值解和实验结果吻合良好。所开发的求解器可用于复杂结构强磁场作用下磁流体的数值模拟研究。     

MNZ超材料的电磁特性

主要围绕磁导率接近0的MNZ超材料,通过理论分析和数值模拟方法对MNZ材料的电磁特性进行了研究。针对线源置于二维MNZ材料内部的情况,通过理论详细分析了在MNZ材料和空气交界处的阻抗匹配特性和传播常数的连续性,基于有限元数值方法模拟验证了电磁场在MNZ材料边界处的等幅同相特性,从而实现了均匀平面波的传播特性。同时,考虑到将线源置于空气中有助于辐射出电磁能量,通过数值模拟分析了电磁波由空气入射到MNZ材料的电磁特性,发现在特定极化条件下,只能当电磁波波前与MNZ材料边界平行时,才能较好地实现阻抗匹配,从而基于MNZ材料实现新颖的辐射特性。     

周期孔洞区域中热力耦合问题的双尺度有限元计算

复合材料的研究中经常遇到具有周期孔洞结构的材料,由于区域的小周期性及剧烈振荡性,用传统的有限元计算方法来计算这些材料对应的问题时需要大量的计算机存储空间及计算时间.对这类材料的热力耦合问题给出了一种新型的高阶双尺度渐近解,得到了对应的均匀化常数、均匀化方程及对应的有限元算法.数值算例表明,周期单胞的局部结构对局部应力与应变有较大的影响.算法对数值模拟这类材料的力学行为是高效和可行的. 关键词： 双尺度方法 热力耦合 周期孔洞区域 有限元方法     

强流质子束辐照形成的冲击波

 对强流质子束在铝材料中引起的冲击波进行了数值模拟，其中强流质子束在铝中的能量沉积行为采用蒙特卡罗方法模拟，而能量的非均匀沉积后引起的力学效应采用一维流体弹塑性模型进行计算。计算给出了强流质子束在铝材料中的能量沉积曲线和引起的冲击波的时间演化规律。     

横向各向同性固体材料中含定向非均匀体的有效弹性模量

针对 含定向非均匀体的横向各向同性复合材料(即TI介质), 采用球形有效体散射等效的方法, 根据TI材料下的D, N_ij表达式, 对横向各向同性条件下Eshelby 张量的积分通用表达式进行化简, 推导出了复合材料的具有横向各向同性特性的有效弹性模量的表达式, 并依此进行了数值分析. 计算结果表明: 利用本方法计算的有效模量随非均匀体含量的增大而减小; 定向排列的非均匀体影响横向各向同性介质的固有各向异性, 水平指向的非均匀体会增大材料的横向各向同性, 模拟结果对评价含非均匀体各向异性介质的特征具有指导意义.     

A Fast Finite Element Analysis of Millimeter Wave Waveguide Filters

The multifrontal method is applied for solving a large system of linear equations resulting from the use of edge-based finite element method (FEM). The finite element method combined with the perfectly matched layers (PML) is given for simulation of microwave filters and the algorithm of multifrontal method is described in detail. The reflection and insertion losses of millimeter wave filter are analyzed as the examples and the obtained results are compared with those obtained from literature. In order to demonstrate the efficiency of the multifrontal method, the computational time is compared with that of both symmetric successive overrelaxation (SSOR) preconditioned conjugate gradient (PCG) and conjugate gradient methods (CG) for the thick-iris waveguide bandpass filer.     

Efficient Analysis of Millimeter Wave Ferrite Circulators by the GMRES Iterative Algorithm

The finite element method (FEM) combined with the perfectly matched layers (PML) is given for simulation of waveguide ferrite circulators. The generalized minimal residual (GMRES) iterative method is applied to solve such sparse large non-symmetric system of linear equations resulting from the use of edge-based finite element method. The formulation of FEM and the algorithm of GMRES method are described in detail. The reflection and insertion losses of millimeter wave waveguide circulator are analyzed and the results are compared with those obtained from literature.     

一类各项异性半线性椭圆方程自然边界元与有限元耦合法

将冯康和余德浩提出的自然边界归化方法用于研究一类半线性椭圆方程外区域问题，提出一种自然边界元与有限元的耦合算法、针对某一类半线性椭圆方程，应用变分原理，研究其弱解性及Galerkin逼近，得到有限元解的误差估计及收敛阶O(h^n)，最后给出相应数值例子。     

离散元与有限元结合的多尺度方法及其应用

在深入研究复杂结构和非均质材料冲击响应和破坏机理的过程中,往往遇到多尺度计算问题.提出并建立起离散元与有限元结合的多尺度方法,该方法采用离散元对感兴趣的局部进行细观尺度的模拟,利用有限元进行宏观的模拟,从而节约了计算时间.采用一种特殊的过渡层衔接离散元区和有限元区.将这一方法应用于激光辐照下预应力铝板的破坏响应,并将得到的模拟结果与实验进行了比较.     

Simulation of Millimeter Wave Circulators by FEM with Unifrontal/Multifrontal Technique

The combination of unifrontal and multifrontal techniques is applied for solving a large, sparse, and unsymmetric system of linear equations resulting from the use of edge-based finite element method (FEM) for millimeter wave ferrite devices. The formulation of finite element method combined with the perfectly matched layers (PML) is given and the combined algorithm of unifrontal and multifrontal methods is described. The lower data movement of unifrontal method and the lower fill-in of normal multifrontal methods are combined for an algorithm with their features. The performance of typical waveguide junction circulators is analyzed and the calculated results are compared with those obtained from the literature.     

核磁共振测井仪探头设计中的数值方法

核磁共振测井仪探头的优化设计能够增强仪器的探测特性,提高仪器的信噪比, 而探头设计中的数值方法对设计结果至关重要.本文利用电磁场有限元方法对贴井壁型核磁共振测井仪探头静磁场和射频场进行了2D和3D的数值模拟,深入分析了数值模型形状、模型尺寸、 单元形状对数值模拟结果的影响,并将有限元数值模拟结果与实测数据做了对比. 结果显示:数值模拟结果与实测数据符合.在设计核磁共振测井仪探头结构时, 选取与井眼形状一致的圆形模型,模型尺寸范围在10—15倍探头外径, 并采用三角形单元可以有效提高数值模拟方法精度,增强优化设计结果的可靠性.     

多尺度模拟中网格守恒重映算法

针对耦合微观分子动力学(MD)和宏观有限元方法(FE)的多尺度模拟,提出一类新的基于贡献单元法的网格守恒重映算法.由于物理量是由有限元节点以及相应区域的原子信息通过积分重构得到的,对结构和非结构网格都能适用.对于未知量定义在顶点的情形,引入辅助网格.数值例子验证了算法的准确性和有效性.     

A general finite element model for numerical simulation of structure dynamics

A finite element model used to simulate the dynamics with continuum and discontinuum is presented. This new approach is conducted by constructing the general contact model. The conventional discrete element is treated as a standard finite element with one node in this new method. The one-node element has the same features as other finite elements, such as element stress and strain. Thus, a general finite element model that is consistent with the existed finite element model is set up. This new model is simple in mathematical concept and is straightforward to be combined into the existing standard finite element code. Numerical example demonstrates that this new approach is more effective to perform the dynamic process analysis in which the interactions among a large number of discrete bodies and continuum objects are included.     

Free Mesh Method: fundamental conception, algorithms and accuracy study

The finite element method (FEM) has been commonly employed in a variety of fields as a computer simulation method to solve such problems as solid, fluid, electro-magnetic phenomena and so on. However, creation of a quality mesh for the problem domain is a prerequisite when using FEM, which becomes a major part of the cost of a simulation. It is natural that the concept of meshless method has evolved. The free mesh method (FMM) is among the typical meshless methods intended for particle-like finite element analysis of problems that are difficult to handle using global mesh generation, especially on parallel processors. FMM is an efficient node-based finite element method that employs a local mesh generation technique and a node-by-node algorithm for the finite element calculations. In this paper, FMM and its variation are reviewed focusing on their fundamental conception, algorithms and accuracy.     

运动物体在颗粒物质中的动力学过程及最大穿透深度仿真研究

利用离散元法仿真了运动物体在颗粒物质中的三维动力学过程, 仿真采用周期边界条件, 并考虑了重力、接触力、阻尼力、摩擦力的影响. 将仿真结果和相关的三维实验结果进行了对比, 两者符合较好. 仿真结果表明穿透深度与运动物体的冲击速度、运动物体质量、颗粒介质床的密度均有关系. 运动物体质量越大, 速度越快, 则穿透越深, 而且穿透深度和质量呈线性关系. 仿真过程较为真实地再现了小颗粒的飞溅现象. 关键词： 颗粒物质 动力学过程 仿真 离散元法