耦合方法在超高速碰撞数值模拟中的应用

 相比于传统的数值方法，无网格光滑粒子法（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）更适合模拟超高速碰撞问题，它能够清晰地模拟材料界面，并且能够克服中网格大变形导致的数值不稳定。然而在SPH方法中，为了得到t时刻一个节点上的物理量，需要先找出与它相互作用的临近节点，导致计算速度很慢，计算所需的时间远远大于有限元方法所需的时间。采用SPH与Lagrange法相耦合的方法对3D超高速碰撞过程进行了模拟研究。计算结果表明：SPH与Lagrange法耦合方法的计算结果与SPH计算结果精度接近，并且能够大大地节省计算时间。     

LATTICE-BOLTZMANN方法及其在顶盖驱动流数值模拟中的应用

Ｌａｔｔｉｃｅ－Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法（以下简称ＬＢ方法）,作为一种新的数值计算方法,在近十年得到迅速发展。本文对ＬＢ方法的基本思想及实施方法进行了概括介绍,并将该方法运用到顶盖驱动流的计算中,所得结果与基准解吻合良好。     

移动网格与Level Set耦合方法在气-液两相流数值模拟中的应用

本文采用自适应移动网格与Level Set函数相耦合的方法来实现气-液两相流的数值模拟与计算.作为自适应网格方法的一种,移动网格方法主要是为了解决发展方程的计算问题而设计的方法.文中给出了移动网格的生成方程,并针对方程的非线性,给出了一种半隐式的离散方法用于进行求解.本文将移动网格方法与Level Set方法相耦合,将控制流体运动的Navier-Stokes方程以及追踪相界面的Level Set方程转换到曲线坐标下,应用一套曲线坐标方程组来同时描述气、液两相流的运动规律,成功实现了对气-液两相流问题的数值模拟.通过对顶盖驱动流的计算以及对液滴沉降现象的模拟计算,验证了本文方法的可靠性.本文对常重力与微重力下两气泡融合的发展规律进行了数值模拟,通过分析对比,得到了重力对两气泡融合变形的影响规律.     

自发凝结流动数值模拟方法及其在Laval喷管中的应用

本文对存在自发凝结的湿蒸汽两相流动建立了完全欧拉坐标系统下的数理模型。采用考虑了真实流体性质的 LU-SGS-GE隐式时间推进算法和改良型高精度、高分辨率MuSCL TVD差分格式求解存在自发凝结的汽液两相流动控制方程组。文中水及水蒸汽性质数据全部取自IAPWS-IF97国际标准公式。对某Laval缩放喷管内的湿蒸汽自发凝结流动的数值模拟结果表明,本文所采用的数理模型及计算方法是有效和可靠的。     

Level Set方法及其在两相流数值模拟研究中的应用

本文介绍了一种崭新的捕捉两相流相界面的 Ｌｅｖｅｌ Ｓｅｔ方法,并应用该方法对两种互不相容流体间的平面界面波动现象进行了数值模拟,捕捉到了两相流界面波动过程中的一些复杂现象。计算结果与实验观测现象符合良好,表明这种方法是一种很有前途的两相流数值模拟方法,很值得进一步研究和推广。     

一种隐式预处理方法及其在定常和非定常流动数值模拟中的应用

将Choi-Merkle矩阵预处理方法与LU-SGS隐式方法、双时间法以及多重网格方法结合,发展适用于绕飞行器定常和非定常粘性流动的高效隐式预处理计算方法和程序.介绍一种针对定常和非定常流动的LU-SGS隐式预处理方法的统一表述方法.在不改变流动解的前提下,对Navier-Stokes方程的伪时间导数项实施Choi-Merkle矩阵预处理,从而改善可压缩控制方程在低速情况下的系统刚性,使基于LU-SGS时间推进格式的数值模拟方法同时适用于从极低马赫数到可压缩范围内的数值模拟.对Jameson中心格式的人工粘性进行相应的修改,以提高低速流动的计算精度.翼型、机翼以及翼身组合体绕流的数值模拟研究表明,隐式预处理方法获得了很高的计算效率,可使马赫数0.1左右的低速流动计算时间减少50%以上;通过对现有可压缩计算程序进行小量改动,便可使其均匀覆盖整个低速流动范围,提高CFD程序在飞行器绕流数值模拟中的实用性.     

电磁脉冲对细线耦合的时域多分辨分析

对利用时域多分辨分析(MRTD)方法计算电磁脉冲(EMP)与细线耦合的问题进行了研究。将传统Holland细线算法应用到时域多分辨分析当中,推导出了MRTD方法中对细线结构处理的一种算法,并给出了具体的计算步骤和相关参数的选取方法。计算表明,采用MRTD方法计算细线问题,可以取较大的空间步长,一般可以取到最短工作波长的1/4左右,有效地节约了计算资源;MRTD方法也可以较方便地处理细线位于大地附近的情况,为计算地面铺设较长细线的EMP耦合提供了一种途径。     

新型负耦合结构在基片集成波导滤波器中的应用

针对高性能交叉耦合基片集成波导带通滤波器的应用,提出一种新型负耦合结构,该耦合结构由两个短路耦合线设计实现,并详细分析了其特性,能够实现较弱或较强的负耦合。总结了基于特征多项式的耦合矩阵综合优化方法,并通过两个滤波器的设计进行说明。基于综合得到的两个耦合矩阵,设计了两个中心频率为10 GHz的四阶交叉耦合基片集成波导带通滤波器,第一个滤波器的归一化相对带宽为3%,负耦合结构提供交叉耦合,用于说明该耦合结构提供相对较弱的耦合强度;第二个滤波器的相对带宽为8%,负耦合结构提供主耦合,用于说明该耦合结构提供较强的负耦合强度。为了验证滤波器的实际性能,对这两款滤波器进行了加工和测试。测试和仿真结果一致性较好,表明了该负耦合结构用于高性能交叉耦合基片集成波导滤波器设计的可行性。最后讨论了弱色散交叉耦合对传输零点位置的影响。     

基于对偶单元法的三维集成微系统电热耦合分析

随着三维集成微系统集成度和功率密度的提高,同时考察电设计与热管理的多场耦合分析势在必行.本文面向三维集成微处理器系统,通过改进的对偶单元法(dual cell method,DCM)实现了系统的快速电热分析.该方法通过引入泄漏功率、材料系数随温度的耦合,相比于传统有限元法在更新以及组装本构矩阵上有更大的优势.仿真验证表明,本文所采用的算法相比传统有限元法仿真速度提升了约30%.在考虑了材料系数以及泄露功率热耦合因素后,系统热点温度相对于考虑耦合前上升了20.8 K.最后采用本文所提出算法对三维集成微处理器系统进行布局研究,比较了硅通孔阵列常规布局和集中布局在处理器核心下方两种布局方式对上下层芯片热点温度的影响,研究了功率不均匀分配对两种布局的影响.     

车辆线缆瞬态电磁脉冲耦合仿真与抑制技术

瞬态电磁脉冲可通过车辆互联线缆耦合至电子系统内部,造成电子设备受扰甚至损毁,研究瞬态防护器件对电磁脉冲的抑制特性可为车辆电磁防护设计与实施提供有力支撑。本文以发动机电控系统为研究对象,考虑关键金属结构、线缆与电子设备,建立发动机电磁仿真模型,计算获取了瞬态电磁脉冲作用下线缆端口耦合干扰特性;基于电磁脉冲注入方法设计并搭建了瞬态防护器件测试平台,获取了瞬态电压抑制器与压敏电阻两类典型瞬态防护器件的响应时间、钳位电压、尖峰泄露等响应特性;在仿真与测试结果的基础上,选取一型瞬态电压抑制器应用于凸轮轴位置传感器信号线的电磁防护。研究结果表明,该型瞬态电压抑制器对线缆瞬态电磁脉冲耦合干扰抑制能力接近20 dB,置于滤波器前端可有效抑制线缆耦合干扰,保护终端设备。     

中皮秒二波耦合及其应用

本文报道在InP:Fe中皮秒二波耦合的实验研究.文中测量了瞬态二波耦合增益随泵浦光与探测光相对延迟时间改变而变化的曲线,分析了瞬态二波耦合中各种过程的特性,最后还利用皮秒二波耦合实现了低开启光强、高信噪比,透过率达17%的皮秒光开关.     

电磁脉冲与窄缝腔体耦合共振特性分析

应用时域有限差分法模拟计算了电磁脉冲对窄缝和窄缝腔体的线性耦合过程。通过定义能量耦合传输系数,分析耦合能量随窄缝宽度和厚度及时间的变化关系,得出在正弦波调制的高斯脉冲源激励下,窄缝和窄缝腔体的耦合共振特性。     

冲击脉冲辐射天线辐射场计算及应用

根据由张量法得到的任意线天线电场计算公式,利用镜像法推导,得到冲击脉冲辐射天线辐射电场的时域解析表达式。应用该表达式计算冲击脉冲辐射天线应用于辐射波电磁脉冲模拟器的时域辐射场,并与数值计算进行比较,结果表明：解析计算得到的辐射场波形与数值计算结果吻合较好,因此,利用解析表达式可以方便地观察天线结构参数对天线辐射场波形的影响,从而选取合适的参数以产生符合标准要求的天线场波形。     

真空环境下激光与固体靶冲量耦合的机理分析和数值模拟

在准真空环境下，采用高功率密度的调Q-Nd:YAG激光照射固体铝靶表面，测量了不同入射激光强度下气化靶物质对靶的冲量.通过分析不同情况下激光与固态靶、气化物质的作用机理，采用流体力学理论和三维有限差分的计算方法，对不同激光强度情况下气化物质对靶产生冲量的过程进行了数值模拟，将模拟计算所得结果与实验测量结果进行了比较和分析，进而对实验结果进行了解释.由数值模拟结果与实验结果的一致性可见，本文采用的模型能反映激光作用下固体靶力学响应的物理过程.     

Comparison of frequency domain and time domain methods for the numerical simulation of contactless ultrasonic cavitation

The use of a top-mounted electromagnetic induction coil has been demonstrated as a contactless alternative to traditional ultrasonic treatment (UST) techniques that use an immersed mechanical sonotrode for the treatment of metals in the liquid state. This method offers similar benefits to existing UST approaches, including degassing, grain refinement, and dispersion of nanoparticles, while also preventing contact contamination due to erosion of the sonotrode. Contactless treatment potentially extends UST to high temperature or reactive melts. Generally, the method relies on acoustic resonance to reach pressure levels suitable for inertial cavitation and as a result the active cavitation volume tends to lie deep in the melt rather than in the small volume surrounding the immersed sonotrode probe. Consequently, (i) with suitable tuning of the coil supply frequency for resonance, the treatment volume can be made arbitrarily large, (ii) the problem of shielding and pressure wave attenuation suffered by the immersed sonotrode is avoided. However, relying on acoustic resonance presents problems: (i) the emergence of bubbles alters the speed of sound, resonance is momentarily lost, and cavitation becomes intermittent, (ii) as sound waves travel through and reflect on all the materials surrounding the melt, the sound characteristics of the crucible and supporting structures need to be carefully considered. The physics of cavitation coupled with this intermittent behaviour poses a challenge to sonotrode modelling orthodoxy, a problem we are trying to address in this publication. Two alternative approaches will be discussed, one of which is in the time domain and one in the frequency domain, which couple the solution of a bubble dynamics solver with that of an acoustics solver, to give an accurate prediction of the acoustic pressure generated by the induction coil. The time domain solver uses a novel algorithm to improve simulation time, by detecting an imminent bubble collapse and prescribing its subsequent behaviour, rather than directly solving a region that would normally require extremely small time steps. This way, it is shown to predict intermittent cavitation. The frequency domain solver for the first time couples the nonlinear Helmholtz model used for studying cavitation, with a background source term for the contribution of Lorentz forces. It predicts comparable RMS pressures to the time domain solver, but not the intermittent behaviour due to the underlying harmonic assumption. As further validation, the frequency domain method is also used to compare the generated acoustic pressure with that of traditional UST using a mechanical sonotrode.     

电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆蒙皮电流分布的时域计算方法研究

为克服传输线理论方法求解电磁脉冲电缆耦合问题存在的不足,对电磁脉冲电缆耦合问题进行了时域求解方法的研究。引入了适用于电磁脉冲电缆耦合问题数值求解的基于细线散射的时域有限差分(FDTD)法,将Gedney's PML进行了扩展,使其可以用于各向同性有耗计算域截断问题的处理。利用建立的数值方法,模拟了电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆引起的蒙皮感应电流分布规律及波形特征,并利用辐射波电磁脉冲模拟器对该问题进行了实验研究。计算与实验结果在误差范围内的一致性证明了数值结果的可靠性,以及该时域计算方法在处理电磁脉冲电缆耦合问题的可靠性。