基于ALE算法的V形楔形体入水的水动力特性分析

结构入水问题是一种复杂的流固耦合过程,涉及到固体力学、流体力学、冲击动力学和计算力学等相关力学分支的交叉与融合.论文基于非线性显式动力分析方法,采用任意拉格朗日-欧拉算法(水域采用欧拉描述,固体结构采用拉格朗日描述),并用罚函数方法控制结构与流体之间的耦合作用,对二维V形楔形体垂直入水的初期过程进行了数值仿真.通过数值仿真,分析了楔形体底部压力分布情况,讨论了网格密度、接触刚度以及阻尼系数对数值计算结果的影响,并将数值结果与Wagner理论解进行了对比分析,验证了ALE方法的可靠性.     

自由活塞压缩管ALE方法数值模拟

当前国际上实现高焓气体流动的实验手段之一是自由活塞驱动类脉冲设备,包括自由活塞激波风洞和自由活塞膨胀管.采用自由活塞压缩管作为激波风洞和膨胀管的驱动段时,其驱动能力在很大程度上决定了该类设备的性能.本文采用计算流体力学中任意拉格朗日——欧拉方法(arbitrary Lagrangian Eulerian)数值模拟了压缩管内部的自由活塞运动和气体流动特征.采用移动网格技术来适应活塞运动边界,耦合求解网格运动和气体流动过程,并通过双时间步长方法进行流体运动的时间积分.为了满足几何守恒律(geometric conservation law),对移动网格的法向矢量和表面面积计算进行了修正.不同时刻的活塞位置试验测量结果及欧拉方法预测结果,以及基于简单波理论获得的运动活塞底部气体压力、活塞速度与活塞位置都与当前的ALE方法十分一致.该工作为下一步数值模拟自由活塞激波风洞和自由活塞膨胀管中包括压缩管、激波管和喷管等不同部位的耦合流动提供了基础.      

基于ALE方法的3D充填流动模拟

基于任意拉格朗日-欧拉方法发展了三维充填流动的数值模拟方案.该方案采用ALE方法准确地追踪移动自由面的位置并避免了网格扭曲;基于移动最小二乘曲面拟合方法提出了移动自由面上网格节点重定位方法,将充填流动的网格更新过程简化为自由面附近的局部网格重划分过程,并通过分级多面体三角剖分实现,减小了网格划分的计算量,实现了实时网格生成.给出的数值算例结果表明了该数值模型对三维充填流动模拟的有效性.     

用于ALE有限元模拟的网格更新方法

任意拉格朗日欧拉法(ALE)可以通过定义参考网格的运动,实现自由液面跟踪,完成液体晃动的数值计算. 综合用于更新网格节点的3种基本计算方法,将多方向更新网格速度的技术应用于任意拉格朗日欧拉网格节点的速度计算. 给出了水平圆柱形贮箱和椭圆形贮箱内液体晃动算例,实现了多方向更新网格运动与晃动流场计算的耦合,使ALE方法能胜任复杂几何边界下的自由液面流动的数值模拟.      

计算含动边界非定常流动的无网格算法

在无网格算法中考虑了含动边界的流动问题,研究了可以计算处理包含一定位移及扭转动边界非定常流动的算法.创建了无网格算法的动点法则,并引入抗扭方法对弹簧方法进行改进来处理离散点运动,提高了方法的可用度及精度.发展了求解基于无网格的ALE方程组的算法,在点云离散的基础上采用曲面逼近计算空间导数及HLLC格式计算数值通量,运用四步龙格-库塔法进行时间推进.在跨、超音速条件下,计算模拟了典型翼型简谐振动流场,计算结果与实验结果及文献对比吻合,验证了该算法的正确性.     

土中爆炸冲击混凝土道面的数值模拟

炸药在多相介质中的爆炸是气态爆轰产物和固态介质之间的耦合作用问题，对其进行数值模拟一般不考虑炸药而直接将爆轰压力加在介质上，而耦合方法对炸药和其周围的介质进行离散，炸药和介质采用统一的控制方程，通过界面条件实现相互作用。任意拉格朗日欧拉（Arbitary Lagrangian and Eularian）法，是最近兴起的适用于计算固体大变形问题的数值计算方法。将其引入爆炸力学计算，可以避免由于物质的大变形引起的单元畸变和计算困难。同时混凝土的损伤模型，更加符合混凝土在高应变率加载条件下的力学特性和破坏机理。将这三种方法引入数值模拟，计算结果与相关试验结果有较好的吻合。     

水力机械非定常流动的三维涡方法计算

利用拉格朗日型涡方法计算了混流式水轮机转轮内部的非定常流动. 采用高精度的边界元法计算域内势流速度以满足固体边界不可穿透条件, 通过在固体边界上导入新生涡满足边界的无滑移条件. 利用拉格朗日法计算涡元的运动, 而离散涡元之间的诱导速度则通过毕奥-萨伐尔公式结合快速多级子算法和自适应树结构算法获得. 通过对某混流式转轮水轮机在设计工况及非设计工况下的数值模拟, 以及模拟结果与实验测量的对比, 验证了该拉格朗日涡方法在计算转轮内部高雷诺数非定常流动中的有效性.     

三维液体非线性晃动动力学特性的数值模拟

主要讨论圆筒形贮腔中三维液体非线性晃动问题,将任意的拉格朗日-欧拉（即ArbitraryLagrangian-Eulerian,简称ALE）运动学描述引入到Navies-Stokes方程中,在时间域上采用一种速度和压力的分步计算格式进行时间离散;在空间域上利用Galerkin加权余量法对系统方程进行数值离散;得到了数值计算粘性不可压液体非线性晃动的ALE分步有限元法的计算格式,推导了三维液体自由液面上结点法向矢量的数值计算方法,模拟了圆筒形贮腔（包括带圆环形隔板的圆筒形贮腔）中三维液体的非线性晃动;并得到了一些重要的非线必不知所云 性,通过数值模拟结果与实验结果的比较,证明实了本文方法的可靠性与有效性。     

UNSTEADY SEPARATION OF FLOW AROUND AIRFOIL WITH LOCAL ELASTIC STRUCTURE

对在低雷诺数下局部弹性翼型绕流中,局部弹性导致的自激振动所产生的复杂非定常流动分离现象和描述方法进行了分析．采用ALE—CBS方法数值模拟了具有可动边界的绕流流场问题,同时采用Galerkin方法求解局部弹性结构的控制方程．着重研究了翼型的局部弹性对流动分离和翼型性能的影响,并分别从Eulerian和Lagrangian的角度分析了局部弹性结构导致的不同非定常分离现象,其中Lagrangian角度可以方便地揭示出局部弹性翼型大幅度提高升力的机理和流动中的能量迁移．结果表明翼型的局部弹性对非定常分离和分离泡的演化过程有着明显的影响,可以使得流体质点由主流获取动量实现再附,并且在一定的攻角下可以将固定分离转变为移动分离,从而明显地提高了翼型的升力．     

非饱和多孔介质中混合元法的化学-热-渗流-力学耦合的本构模拟

在文献[1]中建立的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)本构模型基础上,针对文献[2]建立的非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法,发展了非饱和多孔介质中混合元的化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合本构模拟算法。采用非关联流动多重屈服准则模拟非饱和多孔介质的材料非线性行为。推导了u-pw-pa-T形式的包含了耦合率本构方程积分的向后欧拉映射算法和一致性弹塑性切线模量矩阵(单元刚度矩阵)的混合元一致性算法。本文给出了临界状态线(CSL)和状态边界面(SBS)两个屈服准则的一致性算法。数值结果显示了本文所发展的混合元耦合本构模拟算法在模拟由热、化学、力学荷载共同引起的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合行为的能力和有效性。     

非定常流动的快速拉格朗日涡方法数值模拟

采用快速拉格朗日涡方法数值模拟有复杂旋涡运动的非定常流动. 利用离散涡元模拟旋涡的产生、聚集和输送过程. 拉格朗日描述法用来计算离散涡元的移动,而移动速度则利用广义毕奥-萨伐尔公式结合快速多极子展开法计算,修正的涡半径扩散模型用来模拟离散涡元的黏性扩散. 突然起动圆柱和大攻角下突然起动翼型的非定常有涡流动的数值模拟,及其与试验结果的对比验证了方法的有效性. 另外,大攻角下突然起动翼型的计算结果给出了翼型起动后吸力面旋涡的产生、发展,周期性非定常流动的形成,以及尾流旋涡结构等一些重要的流动特征.[关键词] 非定常流有涡流动快速涡方法      

大型渡槽动力设计方法研究

根据大型渡槽结构的特点,在缺乏适用的抗震分析模型前提下,提出支撑-渡槽-水伪三维流固耦合动力分析方法。模型基于结构动力分析理论和流固耦合分析理论,整体结构分析采用Newmark方法进行动力时程分析,分析中考虑渡槽结构整体受力性能,包括下部支撑结构、地基等多种因素的影响作用;渡槽-水耦合体子结构分析采用任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE)有限元方法进行动力分析,考虑渡槽-水的耦合相互作用,模拟渡槽中水体的大幅晃动作用,相应得出渡槽中动力压力值及其分布。以某排架支撑矩形渡槽为例,采用本文提出的伪三维模型进行地震时程分析,计算结果与三维模型计算结果吻合良好。本文提出的伪三维动力分析方法计算效率高,满足渡槽结构抗震设计要求,便于工程应用,是大型渡槽结构动力分析研究和抗震设计的实用静、动力分析方法。     

侵蚀滑移计算方法的改进

将二维拉格朗日有限元程序LTZ-2D中侵蚀滑移的计算方法进行了改进.将单元侵蚀判断标准由单一的累积塑性应变标准改为累积塑性应变、单元的硬化因子以及单元相对于滑移线的变形角度的综合判断标准.同时,利用本文的改进算法对侵彻问题进行了数值模拟.计算结果显示,采用改进后的侵蚀滑移计算方法不仅很好地显示了侵彻过程中弹靶的接触面,...     

TVD自相容流体力学拉氏格式研究

流体力学数值模拟格式总体上可分为Eulerian(欧氏)、Lagrangian(拉氏)和ALE(Arbitrary LagrangianEulerian),TVD广泛应用于Eulerian格式。本文利用具有TVD保持性质的Runge-Kutta型时间离散方法,构造了流体力学Lagrangian(拉氏)自相容格式,应用von Neumann小扰动技术分析了该格式的稳定性,并进行了相应的数值模拟,较好地抑制了激波波后非物理振荡。     

纳米镍板裂纹扩展的分子动力学模拟和宏微观分析

建立了半无限弹性纳米镍板Ⅰ型裂纹扩展的二维分子动力学计算模型。采用镶嵌原子法描述原子间作用,模拟了纳观裂纹区在远场常应变率作用下变化直至起始扩展的过程。同时基于原子势函数和二维正三角形晶格常数计算材料弹性参数,进行连续介质力学断裂分析。分子动力学模拟和宏微观分析均得到裂纹起始扩展的临界时刻、裂尖应力场和原子平均能量。二者的结果比较表明本文的二维简化模型和模拟方法可以准确地描述Ⅰ型裂纹扩展的物理本质,基于原子势函数和晶格常数的连续介质力学分析也是一种可行的研究纳米材料断裂的方法。     

非线性流体弹性力学研究进展

流体弹性力学理论是用来描述液体、气体的运动与弹性结构相互作用的学科.由于其交叉性质, 涉及到人类日常生活中的方方面面,致使在许多学科和工程领域中都成了主要的研究内容,并得到了广泛地应用.本文在阐述研究流体与弹性体相互作用的非线性问题的重要意义及分类方法的基础上,介绍了非线性流体弹性力学的特征、研究现状和非线性问题的研究方法,如理论分析法、实验分析法、数值分析法和半解析法等的进展;介绍了描述介质相互作用的任意拉格朗日-欧拉(ALE)法、相容拉格朗日-欧拉(ULE)法、单一拉格朗日(SL)法和单一欧拉(SE)法之间的关系,并且对这些研究方法的优缺点进行了比较;介绍了非线性流体弹性力学研究的内容和在气动弹性力学、水弹性力学、环境流体弹性力学、微尺度流体弹性力学和涡激振动等领域中的应用;阐述了非线性流体弹性力学的发展前景和所面临的任务.      

双剪统一弹塑性有限差分方法研究

基于拉格朗日有限差分方法,建立了双剪统一弹塑性有限差分计算格式,并利用VC++语言编写动态链接库文件将双剪统一弹塑性模型导入拉格朗日有限差分程序FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)中进行计算分析。双剪统一弹塑性有限差分方法可以模拟复杂应力状态下结构的渐进破坏,无需形成刚度矩阵,对于材料非线性问题无需进行迭代计算,因此在理论和工程应用中都有积极的意义。本文利用双剪统一弹塑性有限差分方法对拉压强度不等材料的厚壁圆筒受内压、中心带孔板条受拉压、条形基础下的地基极限分析及边坡问题进行了数值分析并与滑移线场等解析方法计算结果进行对比,结果均吻合较好。     

高阶紧致格式求解二维粘性不可压缩复杂流场

提出了一种求解二维不可压缩复杂流场的高精度算法．控制方程为原始变量、压力Ｐｏｉｓｓｏｎ方程提法．在任意曲线坐标下，采用四阶紧致格式求解Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程组，时间推进采用交替方向隐式（ＡＤＩ）格式，在非交错网格上用松弛法求解压力Ｐｏｉｓｓｏｎ方程．对于复杂的流场，采用了区域分解方法，并在每一时间步对各子域实施松弛迭代使之能精确地反映非定常流场．利用该算法计算了二维受驱空腔流动，弯管流动和垂直平板的突然起动问题．计算结果与实验结果和其他研究者的计算结果相比较吻合良好．对于平板起动流动，成功地模拟了流场中旋涡的生成以及Ｋａｒｍａｎ涡街的形成     

用电网模型研究二相二维非定常渗流的一种近似方法

二相非定常渗流理论近年来得到了很大的发展。在忽略毛细管压力情况下的一维问题,原则上都已能解决。对二维问题,由于在数学上存在困难,目前还没有得到分析解。文献[3]作了在数字电子计算机上直接求二相二维问题的数值解的尝试。文献[4]在渗流过程中流管形状不变化的假设下提出了一个解决二相二维非定常渗流的近似方法,但是,这个假设只是在特定的条件下才适用,在一般情况下,流管的形状却可能随时间显著地变化。本文把已有的二相一维渗流理论和电模拟方法结合起来,提出了一个在理论上较严格、在实用上也可行的研究二相非定常渗流二维问题的近似方法。     

NND格式在理想磁流体方程组中的应用

针对守恒型磁流体力学方程组（MHD）和流体力学方程组（HD）通量项不同特点,提出了一种能够采用无振荡、无自由参数（NND）格式离散MHD方程组的通量分裂方法,并首先在一维模型方程中验证了方法的可行性,进一步全三维离散了MHD方程组,在轴对称盔形磁场位形太阳风流动的数值试验中,选取46个太阳半径（Rs)的计算域,其中能够反映行星际空间物理参数在径向有大到8－9个量级变化的特点。计算结果表明针对气动力学跨音速流动的NND格式可以推广到磁体力学方程组中,并有很好的稳定性。