一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh–Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.     

一种可考虑界面不连续的改进SPH方法

SPH方法模拟工程问题时通常遇到不连续的物理量,因此有必要引入不连续的SPH方法.本文基于Taylor展开公式推导了2D和3D的不连续SPH公式.针对越过材料界面不连续物理量的计算,给出了大变形计算中确定不连续位置的方法,基于Taylor展开公式,从理论上给出了确定不连续公式中x_(k)点的方法,并用数值方法验证了此方法的有效性.比较和讨论了初始SPH方法,CSPM方法与不连续SPH方法处理不连续量的效果.结果显示不连续SPH方法在计算不连续量时有较大的优势.     

一种全耦合多相流分析的并行计算方法

研究了孔隙介质中热、水和汽流全耦合分析的并行计算方法．模型中采用了考虑毛细压力关系的修正有效应力概念,并考虑了相变和潜热传递．基本变量为位移、毛细压力、汽压和温度．并行程序是在国家高性能计算中心（北京）的曙光１０００Ａ上借助ＰＶＭ（ＰａｒａｌｅｌＶｉｒｔｕａｌＭａｃｈｉｎｅ）软件系统实现的,考题显示出较高的并行加速比和效率     

一种全耦合多相流分析的并行计算方法1)

研究了孔隙介质中热、水和汽流全耦合分析的并行计算方法.模型中采用了考虑毛细压力关系的修正有效应力概念,并考虑了相变和潜热传递.基本变量为位移、毛细压力、汽压和温度.并行程序是在国家高性能计算中心(北京)的曙光1000A上借助PVM(Parallel Virtual Machine)软件系统实现的,考题显示出较高的并行加速比和效率.     

一种改进的功率比值法载噪比估算算法

针对GPS载噪比估算方法功率比值法中出现的导航电文翻转敏感问题,提出改进算法。改进算法根据对I路符号判决结果对导航数据位进行预测,基于预测结果消除载噪比估算中导航电文的影响,达到消除导航电文翻转影响的效果。理论计算分析证明该算法能够提高载噪比的估算精度,提升载噪比的更新率,从而提升系统的灵敏度与稳定性。分别对改进算法载噪比估算精度、抵抗导航电文翻转能力、M取值、载噪比更新率等几个方面进行了仿真验证,证明理论分析的正确性。     

一种模拟动边界绕流的锐利界面浸入边界法

为避免复杂贴体网格的更新和畸形对动边界流场计算效率、精度的影响,以充分掌握结构场的受力特性,采用一种改进的锐利界面（sharp-interface）浸入边界法模拟具有动边界绕流的流动问题。该方法将计算域中的固体视为流体,固体边界离散为若干个拉格朗日网格点,通过在界面单元处插值重构流动参数（速度）,将其直接作为流动求解器的边界条件,由此来反映固体边界的影响。即通过构造“虚拟点—受力点—垂足点”的计算结构,借助双线性插值得到虚拟点的速度,再通过强制满足固体边界的无滑移条件计算出受力点的速度,以此为边界条件,最终求解基于浸入边界法的耦合系统方程,实现复杂动边界的流动数值模拟。采用C++编写该浸入边界法的数值程序,以单圆柱绕流为验证算例,通过与文献和实验结果的对比,验证了该方法的准确性和可靠性。在此基础上,对主动运动椭圆柱绕流问题进行了精细计算,探讨了不同轴长比(A_R)、不同攻角($ \theta $)下的椭圆柱对尾涡结构分布特征和水力不稳定现象的影响。捕捉到了反对称S型、“P+S” Ⅰ型、“P+S” Ⅱ型尾涡脱落模态,漩涡强度、涡脱频率和升阻比随A_R和$ \theta $的变化规律,以及确定了升阻比临界攻角(25°)。

     

一种面向舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方法

水下爆炸导致舰船结构毁伤是一个复杂的非线性大变形流固耦合过程,高精度的流固耦合计算是获得高置信模拟结果的关键。基于浸没边界思想,本文提出一种面向大变形壳理论的流固耦合数值方法,可精确刻画流固耦合界面并高效求解流固界面约束方程。基于该方法,本文提出了完整的适用于水下爆炸舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方案,并基于大规模并行编程框架,研发形成适用于舰船结构毁伤的流固耦合大规模并行计算软件。与泰勒平板理论解和水下爆炸结构冲击响应实验数据等进行对比表明,本文方法可有效模拟大变形流固耦合工程问题,具备较高数值求解精度。在此基础上,完成了水下爆炸整船结构毁伤过程大规模数值模拟。该方法可有效应用于舰船毁伤等级评估,应用前景广阔。     

连续体结构拓扑优化的一种改进变密度法及其应用

针对连续体结构拓扑优化设计变密度方法SIMP和RAMP,因惩罚函数选取的不合理而导致拓扑结构形式不甚合理的问题,本文提出了一种新的惩罚函数,并基于此函数导出了相应的迭代设计公式,几个典型考题的数值结果,说明了方法的可行性和有效性.     

一种改进的粒子滤波算法在SINS初始对准中的应用

在实际工程环境中,针对捷联惯导系统(SINS)大失准角初始对准中噪声统计特性未知的问题,设计了一种基于H?滤波算法的鲁棒无迹粒子滤波算法(RUPF)。通过将无迹卡尔曼滤波算法(UKF)和鲁棒环节引入到粒子滤波(PF)的重要性密度函数中,得到了RUPF算法,提高了算法的鲁棒性。通过半物理实验,将RUPF算法与无迹粒子滤波算法(UPF)在SINS静基座大失准角对准中的性能进行了比较,在不同实验条件下,航向失准角精度至少提高了40%,对准精度优于0.05°,对准时间减少了约50 s。实验结果表明,RUPF算法可以以较高的精度和较快的速度完成大失准角初始对准,且对准精度和对准速度均优于UPF算法。     

流固耦合分析的一种改进CBS有限元算法

针对流固耦合问题, 发展了一种基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)描述有限元法的弱耦合分区算法. 运用半隐式特征线分裂算法求解Navier-Stokes方程, 在压力Poisson 方程中引入质量源项以满足几何守恒律; 运用子块移动技术更新动态网格, 并配以光滑处理防止网格质量下降; 采用Newmark-β 法求解结构运动方程. 为保持流体-结构界面处速度和动量守恒, 利用修正结合界面边界条件方法求解界面处速度通量和动量通量. 运用本方法分别模拟了不同雷诺数下单圆柱横向和两向流致振动、串列双圆柱两向流致振动. 计算表明, 本文方法计算效率高, 计算结果与已有实验和数值计算数据吻合.     

一种改进的均匀各向同性湍流初始化方法

均匀各向同性湍流是一种最简单的湍流理想状态,也是湍流基础理论研究的最重要对象之一.为了用数值方法产生均匀各向同性湍流场,一般采用Rogallo提出的方法在谱空间生成初始场,然后再转换到物理空间.研究表明,由该方法生成的初始湍流场在3个棱向上呈各向异性,在结构函数和速度概率密度分布上均有体现.尽管在初始场样本很多时,这种各向异性可以在平均意义上消除,但作为数值模拟采用的单个流场则波动较大,不利于在实际计算中作为单个初始场生成各向同性湍流.在此基础上提出一种改进的Rogallo初始化方法,称为模量平均法,将Rogallo方法在3个轴向分别进行,并进行模量平均,最后采用能谱进行模量控制.这种方法可以一方面保持初始场能谱,另一方面减小单个流场的各向异性波动,以产生各向同性程度更佳的单个初始场.在统计意义上,新方法可以分别将结构函数和速度概率密度的相对标准差减小约10%.     

ELASTO-PLASTIC BRANCHED ANALYSIS FOR AN INTERFACE CRACK BASED ON CRACK ENERGY DENSITY

The elasto-plastic finite element analyses for an interface crack indissimilar material,based on the crack energy density(CED)concept,are investigatedin mode Ⅰ loading condition.It is confirmed that the values of CED almost remainstable when the notch radius ρ is sufficiently small,both in elastic and elasto-plasticcase.Numerical results for both elastic and elasto-plastic cases show that under themode Ⅰ loading condition,when the crack propagates to the more stiff material with asmall angle,the total CED will become larger than that along the interface.If thecrack heads into the more compliant material,the CED will become less than that alongthe interface.     

基于Newton/Gauss-Seidel迭代的DGM隐式方法

在Newton迭代方法的基础上,对高阶精度间断Galerkin有限元方法(DGM)的时间隐式格式进行了研究. Newton迭代 法的优势在于收敛效率高效,并且定常和非定常问题能够统一处理,对于非定常问题无需引入双时间步策略. 为了避免大型矩阵的求逆,采用一步Gauss-Seidel迭代和Matrix-free技术消去残值Jacobi矩阵的上、下三角矩阵,从而只需计算和存储对角(块)矩阵. 对角(块)矩阵采用数值方法计算. 空间离散采用Taylor基,其优势在于对于任意形状的网格,基函数的形式是一致的,有利于在混合网格上推广. 利用该方法,数值模拟了Bump绕流和NACA0012翼型绕流. 计算结果表明,与显式的Runge-Kutta时间格式相比,隐式格式所需的迭代步数和CPU时间均在很大程度上得到减少,计算效率能够提高1～ 2个量级.     

Simulating gas–liquid multiphase flow using meshless Lagrangian method

A multiphase flow model has been established based on a moving particle semi‐implicit method. A surface tension model is introduced to the particle method to improve the numerical accuracy and stability. Several computational techniques are employed to simplify the numerical procedure and further improve the accuracy. A particle fraction multiphase flow model is developed and verified by a two‐phase Poiseuille flow. The multiphase surface tension model is discussed in detail, and an ethanol drop case is introduced to verify the surface tension model. A simple dam break is simulated to demonstrate the improvements with various modifications in particle method along with a new boundary condition. Finally, we simulate several bubble rising cases to show the capacity of this new model in simulating gas–liquid multiphase flow with large density ratio difference between phases. The comparisons among numerical results of mesh‐based model, experimental data, and the present model, indicate that the new multiphase particle method is acceptable in gas–liquid multiphase fluids simulation. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

A COLLISION-AVOIDANCE CONTROL ALGORITHM FOR SPACECRAFT PROXIMITY OPERATIONS BASED ON IMPROVED ARTIFICIAL POTENTIAL FUNCTION 1)

针对航天器近距离操作的安全问题,提出了一种基于人工势函数改进的碰撞规避控制算法.根据航天器与目标、障碍物之间的实时状态, 利用人工势函数算法,计算航天器的实时加速度, 规划航天器的轨迹. 为改进人工势函数方法的适用性,提出三个方面的改进措施: 首先, 在人工势函数算法中, 为提高碰撞预警的准确性,减少额外机动, 碰撞预警采用碰撞概率代替相对距离. 其次, 为了提高对接安全,降低接近目标航天器的相对速度, 利用相对速度的安全接近走廊来计算目标排斥力.最后, 针对大多航天器不能提供任意连续变化推力的情况, 设置两种实用的推力形式,如bang-bang控制的推力形式和恒定变化率的推力形式, 代替连续变推力形式.通过对不同算例的比较,成功地揭示了主要任务参数(如碰撞预警方法、速度安全边界和实际加速度形式)对近距离操作安全的影响.结果表明, 该方法可以提高航天器近距离操作的安全性、效率性, 并且结构简单,实时性强.     

A RESIDUAL-BASED UNRESOLVED-SCALE FINITE ELEMENT MODELLING FOR IMPLICT LARGE EDDY SIMULATION 1)

对应于湍流的大尺度与小尺度流场信息, 本文在有限元的框架下, 假设Navier-Stokes方程的解的形函数由大尺度和不可解尺度形函数叠加组成, 引入对应的权函数, 将Navier-Stokes方程的有限元变分形式分解为大尺度和不可解尺度系统. 根据不可解尺度系统, 构建基于Navier-Stokes大尺度方程残差的不可解尺度模型, 将其代入Navier-Stokes方程的大尺度系统, 进而数值求解大尺度系统得到Navier-Stokes方程的大尺度解. 该方法无需像传统的大涡模拟方法那样对方程的解进行过滤, 通过对形函数进行尺度分解实现解的尺度分解. 本文使用该方法的自编程序代码开展了槽道湍流的数值模拟. 通过与有限差分大涡模拟、DNS计算结果的比较, 发现在使用较少网格情况下该方法预测的平均流向速度在近壁区与DNS数据吻合, 在黏性外层略偏高; 该方法对雷诺应力预测偏低导致从流向向垂向方向上湍动能输运略偏低. 流向速度等值面图显示该方法有效捕捉到了大尺度旋涡结构; 同时在近壁区可以观察到明显的低速条带结构.     

基于能量密度等效的超弹性压入模型与双压试验方法

针对超弹性材料压入问题, 本文基于能量密度中值等效原理, 提出了描述球、平面、锥3类压头独立压入下载荷、深度、压头几何尺寸和Mooney-Rivlin本构关系参数之间关系的半解析超弹性压入模型(semi-theoretical hyperelastic-material indentation model, SHIM), 进而提出了球、平面、锥压入组合的双压试验方法(indentation method due to dual indenters, IMDI). 正向验证表明, 基于系列超弹性材料的本构关系参数, 由SHIM分别预测的球、平面、锥3类压入下的载荷-位移曲线与有限元分析(finite element analysis, FEA)结果之间密切吻合; 反向验证表明, 基于系列超弹性材料的FEA条件本构关系下3类压入的载荷-位移曲线, 由双压试验方法预测的Mooney-Rivlin本构关系与FEA条件本构关系密切吻合. 针对3种超弹性橡胶, 完成了球、平面、锥压入试验, 应用双压试验方法获得的3组Mooney-Rivlin本构关系均与单轴拉伸试验结果吻合良好.      

一种基于几何重构的Youngs-VOF耦合水平集追踪方法

针对界面追踪方法中拉格朗日方法和欧拉--拉格朗日方法计算效率低、不适用大变形、不能应用于三维数值计算模型等问题,研究了一种效率高、界面清晰、适用于三维模型的计算气液两相界面迁移特性的欧拉运动界面追踪方法,该方法将"米"状相邻单元Youngs方法用于运动界面重构,将Youngs-VOF和水平集通过几何方法耦合,提高运动界面精度,克服了VOF和水平集方法存在的缺陷,避免了利用高阶导数本身的稳定性去求解水平集对流方程和距离函数方程."米"状相邻单元Youngs方法避免了数值耗散、数值色散性以及非线性效应引起的捕捉界面模糊的情况.Youngs-VOF耦合水平集方法既保证了计算界面时的稳定性,与拉格朗日方法相比又提高了计算效率.利用Youngs-VOF耦合水平集方法与VOF方法对单个气泡在水中上升过程数值计算与实验对比并对经典剪切流场中圆形运动界面模型的数值计算,验证了Youngs-VOF耦合水平集方法的有效性并比VOF方法捕捉界面更清晰、锐利;通过对溃坝--自由表面流动过程数值计算并与实验进行对比,验证了Youngs-VOF耦合水平集方法的稳定性以及对三维数值模型的适用性.      

基于状态空间理论的功能梯度圆球瞬态热传导分析1)

基于状态空间理论研究功能梯度圆球的球对称瞬态热传导问题。根据热传导方程和热流密度的定义,取温度场和热流密度为系统的状态向量,通过将圆球分层和在时域内应用差分格式对控制方程进行离散,建立了系统的状态方程,给出了功能梯度圆球瞬态热传导问题的半解析解。算例分析表明：本文解不但结果正确、计算效率高,而且适用于材料参数沿径向任意梯度变化的圆球瞬态热传导分析。     

基于特征正交分解的一类瞬态非线性热传导问题的新型快速分析方法

提出了一种基于特征正交分解(POD)和有限元法的瞬态非线性热传导问题的模型降阶快速分析方法,建立了导热系数随温度变化的一类瞬态非线性热传导问题有限元格式的POD降阶模型.在隐式时间推进方法的基础上有效结合单元预转换方法和多级线性化方法发展了一种加速求解瞬态非线性热传导降阶模型的新型计算方法,并通过二维和三维算例验证了该方法的准确性和高效性.研究结果表明:(1)降阶模型解的均方根误差在经过初始时段轻微的脉动后稳定于0.01%以下,而其计算效率比有限元全阶模型提高2～3个数量级,并且自由度数量(DOFs)愈大提高的幅度也愈加显著;(2)新型算法解决了常规算法在计算非线性降阶模型时加速性能差的问题,即使是在DOFs比较小的时候也能够明显提高计算效率;(3)常数边界条件下得到的POD模态可以用来建立相同求解域在各种复杂时变边界条件下的瞬态非线性热传导降阶模型,并对其传热过程和温度场进行快速准确的分析与预测,具有很好的工程应用价值.