水中金属丝电爆炸动力学过程的零维模型

金属丝电爆炸包含丰富的物理内容,近年来国内的实验和理论研究取得了重要进展,理解该过程有助于完善Z箍缩及磁加载等离子体动力学过程的物理建模,校验物性参数。在自相似运动假设条件下,发展了冷启动计算的水中电爆炸丝零维动力学模型。从一维磁流体模型出发,推导了描述丝等离子体膨胀的零维动能方程和内能方程,采用实际气体状态方程和修正的李-莫尔电导率参数作为封闭条件,根据质量守恒及水中激波雨贡纽关系式获得了丝等离子体的边界条件。应用于水中铜丝电爆炸动力学过程和能量转化分析,结果表明：该零维模型的物理假设合理,在一定范围内改变丝直径等参数可产生不同的放电模式,与一维模型及实验结果符合较好,能够为同类实验的优化设计和数据分析提供参考。     

二维数值模拟爆轰中化学反应率的应用

续定常爆轰数值模拟中化学反应率与人为粘性的相关性,本文对体积起爆函数进行了一维、二维系统考查,并与Cochran反应率做了二维对比计算给出数值结果。数值模拟爆轰的复杂相互作用,应用体积起爆函数为好。     

肿瘤血管生成的二维数值模拟

血管生成（angiogenesis）,指从已存在的血管网络中成长出新的血管网络。肿瘤毛细血管生成在肿瘤的生长、转移等阶段发挥着重要的作用。在此过程中内皮细胞积极参与其中的各个阶段：首先是各种各样的肿瘤促血管生成因子的释放（tumor angiogenesis factors,TAF）,激活内皮细胞;新生的内皮细胞在一系列的内部和外部因素的调节下向着肿瘤迁移,最终新生成的毛细血管到达肿瘤并穿越它。目前对肿瘤内及其周围的毛细血管网络了解很少,这给临床上对肿瘤的研究和治疗带来一定困难。本文考虑内皮细胞与胞外间质的相互作用、对TAF的响应,根据肿瘤内外的生理和病理条件描述肿瘤促血管生成的特点,并根据肿瘤内的复杂特性建立二维离散数学模型,研究肿瘤内部的毛细血管网络的生成。数值模拟的结果显示该模型在一定程度上可以产生符合真实的肿瘤内外的毛细血管分层特点的网络,同时也给后续的研究提供了一定的依据。     

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描述的压缩流动三维粘弹性数值模拟

塑料熔体压缩流动中在主流动平面及厚度方向均有速度变化,结合了剪切和拉伸两种流动特征。为了准确描述和模拟塑料熔体的压缩流动,本文基于粘弹性及ALE原理建立了熔体三维流动理论模型,构造了有限元求解的变分方程。为了避免整体求解计算量大、稳定性差的缺陷,提出了两重迭代解耦合算法分别求解耦合的连续方程、动量方程、本构方程、能量方程,开发了模拟程序。开展了等厚度板及变厚度板的注压成型实验及相应的数值模拟,结果表明:压缩过程中出现压力变化小于4.57%的平台现象;温度呈指数规律下降;塑料入口、流动末端第一法向应力差比平均值分别高1.73MPa、0.87MPa,变厚度区域第一法向应力差比平均值高1.16MPa。本文提出的理论模型和数值算法能够较好地表征压缩过程中熔体的压力、温度变化、应力演化。     

ALE动网格法在流固耦合数值模拟中的应用

为了解决流固耦合问题中的物体大幅度运动带来的困难,采用ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)动网格方法跟踪自由表面上浮体的运动.计算表明:浮体在无粘流体中的垂荡与弹簧-物体的振动模型理论解符合得较好;浮体在粘性流体中的自由横摇为阻尼运动,其横摇角度随时间的增加而减小,且在不同初始角度下运动系统的固有周期相当.在有外力力矩激励时,外力力矩的周期与系统的固有周期相当时浮体横摇运动趋于共振状态,运动幅度最大.计算结果验证了计算程序的可靠性与精度.本文方法为ALE方法应用于流体-多浮体耦合运动分析奠定了基础.     

河型发育过程的二维数值模拟研究

改进已有二维平面水沙模型,进一步考虑河床粗化、弯道二次流及河床结构对泥沙输运的影响;并针对河湾形态对崩岸的影响提出新的非粘性土崩岸模拟方法,使其能模拟边滩的形成。利用改进后模型分别对Yen弯道水槽泥沙冲淤试验及Friendkin室内弯曲小河塑造试验进行模拟;模拟结果与试验观测资料吻合较好,表明考虑弯道对泥沙输运及河岸崩塌影响的模型能够更准确反映天然河流演化过程,为研究河型演化机理及各控制因素变化规律提供新手段。     

二维槽道湍流数值模拟与白组织特性

从流体力学基本方程出发,讨论了二维槽道湍流的衰减特性,通过对流场施加合适的体积力,采用拟谱方法对二维槽道强制湍流进行了数值模拟.研究了二维槽道衰减湍流的自组织与逆能量级串特性,再现了二维槽道衰减湍流中湍涡的自组织过程,以及不同波数湍流结构所携能量在自组织过程中的变化,并解释了二维槽道湍流平均速度曲线特征以及海洋环流所特有的自然现象.     

二维Rayleigh—Benard对流问题稳定性的数值追踪

用分解算子法和延续算法对二维Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｂｅｎｅｒｄ对流问题的稳定性进行了数值追踪研究。画出了Ｐｒ＝１．０时不同Ｒａ所对应的流线，等涡线和等温线图；并求出了对于不同Ｐｒ数所对应的临界Ｒａ数，其值大约为２７４０，计算结果与物理分析相一致与三维实验结果比较也合理。     

二维位错裂纹的稳定性分析

在已有的一维穿透位错裂纹模型及能量计算的基础上，将其推广为二维椭圆盘状裂纹模型，并计算了其能量．根据能量平衡原理，给出了位错裂纹模型的裂纹平衡尺寸、裂纹扩展临界应力．并与不考虑位错影响的宏观断裂力学中Ⅰ型穿透裂纹的Ｇｒｉｆｉｔｈ解及椭圆盘裂纹的Ｇｒｉｆｉｔｈ解加以比较．给出的位错裂纹模型解在位错数目ｎ＝０时与宏观断裂力学解一致     

平面Poisenille流动的二维Hopf分叉

本文用直接数值模拟的方法计算了二维Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ流动中扰动波的演化问题。得到了二维平衡态，在一定的波数下，Ｒｅ３９５０时，这种平衡态，将变得不稳定，模拟发现出现第二周期解，即二次分叉。     

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.     

点引爆圆板装药驱动飞板的实验及二维数值模拟

本文报导点引爆圆板装药驱动飞板的实验及二维数值模拟研究结果。实验测定了有机玻璃、铝、钢和铜四种飞板在爆轰产物驱动下的碰靶时间及碰靶波形,并将二维数值模拟结果与测量结果进行了比较,二者符合较好。文中还就数值模拟中存在的一些问题进行了简要分析、讨论。     

二维有限区域饱和软土Biot固结的数值模拟

针对二维有限矩形区域饱和软土固结问题,选取四种不同边界条件组合,利用数值模拟方法研究了在上表面剪切载荷作用下土体沉降变形的特征和规律。结果表明:在剪切载荷单独作用下,土体位移以水平位移为主,同时竖向位移也客观存在。这反映了土体固结过程中流固耦合的物理现象。土层最终变形量(沉降和水平位移)由剪切载荷与土体物性决定,与边界透水性无关;边界条件对土体的变形模式有着决定性影响。剪切载荷作用、法向载荷作用及二者联合作用的计算结果对比表明:虽然软土Biot固结是复杂的流固耦合过程,但在这个过程中载荷叠加原理依然成立。     

欧拉流体力学数值方法中的界面计算

本文所提算法适用于二维和三维多介质流体力学两步欧拉数值方法中输运计算的混合网格(包括自由面网格)界面处理。在一个混合网格中,界面被近似地看作直线(二维)或平面(三维)。整个方法分为三步：(1)第一步,用混合网格周围的八个网格的介质面积份额(二维)或二十六个网格的介质体积份额(三维)确定界面的法线方向;第二步,用混合网格的本身的介质面积份额(二维)或体积份额(三维)确定界面的方程(位置);第三步,用此直线方程求出通过网格边界的流以及下一时刻网格的面积份额(二维)或体积份额(三维)。最后给出了用此方法所做的一些数值计算及与SLIC算法的比较。     

磁流体动力学斜激波控制数值模拟分析

高超声速飞行器MHD(磁流体动力学)斜激波控制应用的关键在于理解等离子体斜激波流场与磁场的相互作用规律,这里发展了全MHD数值模拟方法对其进行研究,数值方法基于八波方程附加源项形式,进行有限体积离散,采用了Roe求解器、OC-TVD空间格式和LU-SGS方法,且采用投影方法降低磁场伪散度误差.考察外加均匀磁场的马赫10无粘导电拐角流动,压缩角为10°.结果中散度误差较低,并且通过激波参数验证了结果的准确性.流场显示,磁场使得激波角增大,部分情况下出现了快、慢激波结构,其中快激波变化更明显;壁面压强根据磁场的不同出现了不同程度的降低.最后采用群速度图方法进行了快慢激波形式分析,解释了磁场影响下流场形式变化机理.     

二维振荡叶栅非定常粘性流动数值模拟

采用显式四步Runge-Kutta格式，结合Baldwon-Lomax紊流模型求解Navier-Stokes方程，借助运动网格技术，完成了对二维振荡叶栅非定常粘性流动的数值模拟。为了加速求解过程，引入了变系数隐式残差光顺方法，取得了较好效果。数值结果与已公布的数据有很好的一致性。     

基于热-磁-弹性耦合的二维导电薄柱壳数值分析

基于几何方程、物理方程、运动方程和电动力学方程,建立了二维导电薄柱壳热磁弹性基本方程.考虑到Joule热效应,引入热平衡方程及广义Ohm定律,得出导电薄柱壳的温度场.利用变量代换方法,整理成具有10个基本未知量的标准型方程组.采用差分法和准线性化方法,给出准线性微分方程组.对于二维导电薄柱壳,导出了Lorentz力表达式、温度场积分特征值.通过实例计算,得到了二维导电薄柱壳应力、位移、温度随外加电磁参量的变化规律.研究结果可为二维导电薄壳热磁弹性问题研究提供理论参考.     

大直径SHPB弥散效应的二维数值分析

采用轴对称动态有限元HONDO程序对大直径SHPB装置中压杆横向泊松效应引起的应力波弥散进行二维数值分析,并从以下三个方面讨论波形弥散的影响：（1）SHPB装置中压杆直径和杆长对弥散结果（主要是升时）的影响;（2）压杆中的波形弥散对试件应力-应变曲线的影响;（3）弥散对试件应变率的影响。分析表明,在直径SHPB弥散效应对实验结果的影响很大,必须考虑。