多孔隙流固耦合砂岩的冲击损伤效应

采用分离式霍普金森压杆冲击实验系统,对流固耦合的多孔隙红砂岩试样进行了不同冲击速率下的损伤效应对比实验,得到反复冲击作用下多孔隙砂岩试件的损伤演化本构关系曲线。通过检测不同冲击速率作用前后流固耦合砂岩试样的声波速度变化和冲击损伤破坏结果,探讨多孔隙流固耦合砂岩的冲击损伤演化的主要影响因素,得出冲击损伤强度随声波速度和孔隙率的变化曲线;提出不同耦合介质和孔隙率对多孔隙砂岩冲击损伤效应的影响关系。     

航行体水下发射流固耦合效应分析

对于水下发射过程来说,掌握水动力载荷形成机理与结构响应特征是一个亟待解决的问题.研究该问题需要考虑含相变的复杂多相流动,变约束的结构运动以及这二者之间的耦合效应.本文采用松耦合的方法,以流体求解器为主体,将自编的固体结构程序接入流体求解器中,在每个时间步长内分别对流体动力学方程和固体结构动力学方程进行求解,通过流固界面之间的数据交换实现耦合计算.其中,流体求解器基于雷诺平均纳维斯托克斯方程,采用单流体模型处理多相流问题,引入空化模型描述空化相变,采用修正的湍流模型模拟混合物的湍流效应,并采用动网格技术处理移动边界问题.航行体的刚体运动和结构振动分开求解.结构求解器采用等效梁模型描述结构的振动,通过坐标变换给出了随体坐标系下的结构振动方程,求解方法采用时域积分法.所建立的流固耦合方法不仅能够捕捉到自然空化的演化情况,还可获得航行体所受水动力、结构振动响应以及截面的弯矩,获得了实验的验证.基于该方法研究了结构刚度、发射速度对空泡溃灭与结构振动耦合效应的影响规律.结果表明,同步溃灭是影响结构载荷的主要因素,包括溃灭压力幅值,溃灭压力作用位置,以及溃灭压力与结构振动的相位关系.     

考虑质量耦合效应的流体饱和孔隙介质波动方程

利用混合物理论和连续介质力学的基本原理,推导了考虑质量耦合效应的流体饱和弹性孔隙介质的波动方程,并与经典的Biot波动方程进行了对比.结果表明:该文得到的方程包含了Biot波动方程的所有要素,且形式与后者基本相同.比较而言,该文推导过程具有更明确的物理意义,概念也更完整.     

单向悬挂屋盖结构的风致气弹耦合效应数值模拟

综合运用计算流体力学和计算结构力学技术,建立了适用于索膜结构流固耦合风振分析的CFD数值模拟方法,并编制了相应的有限元计算程序。应用该程序对具有不同参数的大跨度单向屋盖结构进行了风振响应分析,探讨了来流风速、屋面质量和初始预张力等参数对结构流固耦合特性的影响。研究表明,由于屋盖前缘周期脱落的大尺度旋涡是诱导结构振动的主要原因,随着大尺度旋涡沿屋面向下游移动,其动能逐渐转化为结构变形能,使结构振动形态呈现明显的涡激振动特征。屋面质量、来流风速和初始预张力是影响结构流固耦合性能的主要参数。对于索膜结构,仅通过刚性模型来确定结构风压并进行风振响应分析,其结果是不可靠的。     

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...     

考虑流固耦合作用的充气膜结构风压分布研究

充气膜结构是典型的风敏感型柔性结构,风荷载经常起关键的控制作用。本文利用ANSYS14.5程序中的workbench平台,考虑流固耦合作用,研究矩形平面气承式充气膜结构的风压系数分布。其中,选用基于雷诺时均模拟法的RNGk-ε湍流模型进行风场模拟,采用弱耦合分析方法模拟流固耦合风荷载效应。分析的参数选择风向角、结构内压、矢跨比和平面长宽比。针对矢跨比分别为1/4,1/3和1/2,长宽比分别为5/3,2/1和3/1的柔性充气膜结构模型,计算不同内压及不同风向角作用下的结构响应。结果表明,考虑流固耦合作用时,充气膜结构的风压体型系数比不考虑流固耦合作用的刚性模型明显偏大,其影响因子在1.25~1.5之间;充气膜结构的风压系数分布受风向角、内压、长宽比及矢跨比的影响较大。     

耦合离散流体理论的差分格式及其应用

求解Navier-Stokes方程组,一直是粘性流动计算的主导途径。但在计算中,都是在一定的网格单元上进行离散,而对不同的离散单元,流动的特征并不相同。本文通过离散单元上网格雷诺数的变化分析,采用耦合离散流体理论（CDFT）差分格式,对向后台阶底部超声速流动问题进行数值模拟,得到了满意的结果。     

考虑流固耦合的近海风电支撑体系自振特性分析

近海风电支撑结构的自振特性是此类结构抗震设计的基础.以某海上风电场1.5MW风电基础支撑体系为背景,考虑流固耦合效应,采用有限元方法对近海风电支撑体系的自振频率和振型进行了计算分析.文中首先将单桩无水工况的数值结果与解析结果做了比较,验证了本文有限元模型的准确性.在此基础上,分单桩有水、单桩无水、四桩有水和四桩无水四种工况进行了支撑体系的自振特性分析,给出了前十阶自振频率和振型,探讨了势流体水层对近海风电支撑体系自振特性的影响.结果表明:水层的存在对单桩体系的前两阶自振频率以及四桩体系的前四阶自振频率影响甚小;总体而言,水层对单桩体系三阶以后的自振频率的影响要明显大于对四桩体系五阶以后的自振频率的影响;本文选取的近海风电支撑体系的各阶频率均能有效避开马达转动频率和叶轮扫略频率.     

高温流体与变物性固体耦合系统温度场及热变形的数值计算

在腔体内部有高温流体,其外壳等固体材料的物性温度而为化的瞬态非线性问题中,其边界条件的确定十分困难。本文采用流一固“混合流”模式进行温度场的计算,由于方程计及了瞬态、复杂形状、浮动外边界条件等因系,采用变步长的控制容积法及时域有限元进行计算。对某个高温燃气配气阀的温度场及热变形进行了数值计算,得到与实测相符的结果。     

温度梯度水分扩散对双重孔隙岩体中THM耦合影响的有限元分析

建立了一种饱和-非饱和遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型,并研制出相应的二维有限元程序.通过一个假定的位于非饱和双重孔隙-裂隙岩体中的高放废物地质处置库算例,就温度梯度水分扩散系数不同的三种工况,考察了岩体中的温度、孔隙水压力、饱和度、地下水流速和主应力的变化、分布情况.结果显示:各工况计算域中温度场及应力场基本相同,当岩体温度梯度水分扩散系数较大时,近场的负孔隙水压力上升到很高的数值,负裂隙水压力有所下降,饱和度亦有相应的变化,当温度梯度水分扩散系数小到一定程度后,其影响也将逐渐消失.     

高压水射流冲击煤体的力学特征

以质量守恒与动量守恒定律为基础, 建立了高压水射流冲击煤体的力学模型。运用此模型分析了高压水射流在冲击煤体的过程中, 未破水体、破碎水体、煤体的破碎区与扩孔区的力学特征, 利用严格的力学守恒关系得出高压水射流冲击煤体的简化常微分方程组。将理论计算结果与现场实验和数值模拟结果进行对比, 结果表明:理论计算结果与数值模拟结果和实验结果基本一致。此模型具有明确的力学意义, 且能够反映真实的冲击过程。     

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...     

圆柱形充液室中4股贴壁燃气射流扩展特性的实验研究

为了探索高温高压周向均布4股贴壁燃气射流在受限空间中的扩展特性,设计了贴壁燃气射流在圆柱形充液室内扩展的实验装置,借助数字高速录像系统,观察了4股贴壁燃气射流在充液室中的扩展过程,发现由Kelvin-Helmholtz不稳定性引起的表面不规则一直存在于整个射流扩展过程;通过处理拍摄记录的射流扩展序列图,获得不同时刻射流扩展的轴向和径向位移; 对比了不同破膜喷射压力和喷孔结构参数对4股贴壁燃气射流扩展过程的影响。实验结果表明:喷孔面积越大,贴壁射流初期轴向扩展速度越大,但由于径向扩展达到交汇的时间较早,湍流掺混和干涉强烈,衰减也越快;破膜喷射压力越高,射流径向扩展到达交汇的时间越短; 破膜喷射压力从12 MPa升高到20 MPa,射流轴向扩展速度大幅增加,气液湍流掺混效应增强。     

垂直提升管道输送过程流固耦合分析

以垂直提升管道的下管道支撑点为研究对象,用有限元方法对固液两相流输送过程中的流固耦合作用进行应力与位移计算。建立了管道和流体有限元模型,利用ADINA-FSI流固耦合模块进行求解;针对不同启动时间、不同约束条件、不同输送浓度、不同输送速度工况下管道铰接点的应力和位移进行分析。结果表明:随着两相流输送浓度和速度的增加,管道应力和位移也相应地增加;启动时间越短,管道应力和位移也越大;柔性连接时管道铰接点应力和位移远大于固接时的应力和位移。     

空穴的绕射隔离效应和对后方应力波的削弱作用

以新型抗爆工程设计为背景,以改进的有限差分软件Renewto为手段,对含空穴的混凝土介质中应力波的衰减机制和演化规律进行了二维数值分析,通过改变空穴的位置和特征尺度等参数来考察空穴后方应力波的强度衰减及波形演化,从而对应力波传播中的空穴隔离效应进行了分析和讨论。结果表明,适当调整空穴的位置、尺寸等因素,可以在其后方明显减弱冲击波。还以计算结果为基础提出了一个应力削弱因子的拟合公式,为在抗爆防震工程中设计科学智能的防护层提供了一定的理论依据。     

Effect of yield stress on the flow of a Casson fluid in a homogeneous porous medium bounded by a circular tube

The effect of yield stress on the flow characteristics of a Casson fluid in a homogeneous porous medium bounded by a circular tube is investigated by employing the Brinkman model to account for the Darcy resistance offered by the porous medium. The non-linear coupled implicit system of differential equations governing the flow is first transformed into suitable integral equations and are solved numerically. Analytical solution is obtained for a Newtonian fluid in the case of constant permeability, and the numerical solution is verified with that of the analytic solution. The effect of yield stress of the fluid and permeability of the porous medium on shear stress and velocity distributions, plug flow radius and flow rate are examined. The minimum pressure gradient required to start the flow is found to be independent of the permeability of the porous medium and is equal to the yield stress of the fluid.     

The variation in the maximum loading of a circular cylinder impacted by a 2D vortex with time of impact

Direct numerical simulation is used to study the loading of a rigid, circular cylinder impacted by a 2D vortex. The vortex travels within a stream of fluid characterized by Reynolds number of 150. Vortex impact occurs at twenty-five different times within one vortex shedding cycle. Substantial variation is observed in the maximum values of the drag and lift force coefficients. This variation is due to interaction between the impinging vortex and those attached to the cylinder. As the radius of the impinging vortex is increased from one to three times the cylinder’s diameter, the variation in maximum force coefficients with time of impact decreases. The variation decreases because the larger vortex alters the flow field and vortex shedding cycle prior to impacting the cylinder. For structures impacted by a vortex similar in size, significant under-prediction of the maximum loading may occur if variation in loading with vortex impact time is not considered.     

浅层水中沉底的两个装药爆炸的数值模拟研究

根据试验模型和试验结果,进行了浅层水中沉底的两个装药爆炸的数值模拟;通过与水中单个装药爆炸,以及无限水中两个装药同时爆炸的数值模拟结果的对比分析,研究了水底水面对沉底的两个装药同时爆炸产生的冲击波传播与相互作用的影响。结果表明:水底对冲击波压力峰值有削弱作用,水面使冲击作用冲量明显减小,冲击波相互作用压力叠加或多次冲击作用可提高爆炸威力。     

水中爆炸激波对水泥试样作用的数值模拟分析

通过对水中爆炸激波在水泥净浆试样中传播的数值模拟,再现了爆炸激波的传播过程,采用对典型单元受到的激波作用和应力进行分析的方法,得出了水泥试样各个区域损伤破坏的成因,数值模拟结果和实验现象吻合。     

应力三轴度的有限元计算修正

对某高强度钢制成的光滑圆棒和缺口圆棒进行了系列准静态拉伸实验,采用ABAQUS对每个试 件进行了数值模拟,得到了该材料的真实应力应变曲线,拟合出了J-C本构模型和失效模型的部分材料常数。 最后,对该高强度钢制成的平板进行了撞击实验,并用得到的J-C模型对平板撞击实验进行了数值模拟,计算 结果与实验结果吻合很好,证明利用数值模拟并修正应力三轴度的方法是可行的。