饱和多孔介质耦合系统的几类变分原理

采用变积方法，建立了一组等温准静态下饱和多孔介质的六类变量的广义变分原理，在此基础上，引入约束条件得到五类变量，四类变量，三类变量和二类变量的变分原理，为建立饱和多孔介质的有限元模型提供了基础。     

非饱和多孔介质非线性有限元分析的一致性算法

在文[1]工作的基础上，对非饱和多孔材料非线性问题进行分析，给出分析的本构模型，模型中考虑了毛吸压力的影响。给出问题分析的求解技术与算法策略，在此基础上，为保证迭代算法的收敛性，文中给出适合于广义塑性本构模型分析的一致性算法与一致性切线刚度矩阵。给出的数值算例证实了理论与算法的正确与有效性。     

流体饱和多孔介质的动力学Gurtin型变分原理和有限元模拟

基于多孔介质理论,在两相不可压和小变形的假设下,建立了流体饱和弹性多孔介质的动力学Gurtin型变分原理,并导出了以此变分原理为基础的有限元离散公式.由于Gurtin型变分原理是卷积型的空间积分泛函,空间的有限元离散导致一个关于时间的对称微分-积分方程组.在一般条件下,该积分-微分方程组可转化为对称的微分方程组,这组方程有别于标准Galerkin有限元的非对称离散方程组.作为数值例子,分析了流体饱和弹性多孔介质中一维纵向波的传播和反射,其结果进一步揭示了饱和多孔介质中波的传播特性.     

不可压饱和粘弹性多孔介质固结问题的Gurtin型变分原理

基于多孔介质理论,在固相骨架和孔隙流体微观不可压,固相骨架小变形且满足线性粘弹性积分型本构关系的假定下,利用卷积积分的性质,本文首先建立了以固相骨架位移、孔隙流体相对速度和孔隙流体压力为宗量的流体饱和粘弹性多孔介质固结问题的一个Gurtin型变分原理.其次,利用Lagrange乘子法解除相关的变分约束条件,建立了流体饱和粘弹性多孔介质固结问题的若干广义Gurtin型变分原理,包括第三类的Hu-Washizu型变分原理.最后,简单讨论了等价初边值问题的相应变分原理.这些Gurtin型变分原理的建立不仅丰富了饱和粘弹性多孔介质的相关理论,而且为相关数值模拟方法,如有限元法、无网格法等的建立奠定了理论基础.     

不可压饱和粘弹性多孔介质的变分原理及其无网格模拟

基于饱和多孔介质理论,在固相和液相微观不可压,固相骨架小变形且满足线性粘弹性积分型本构关系的假定下,建立了流体饱和粘弹性多孔介质动力响应的若干Gurtin型变分原理,包括Hu-Washizu变分原理.利用所建立的变分原理,导出了流体饱和粘弹性多孔介质动力响应无网格数值模拟的离散控制方程,此方程是一个关于时间的对称微分方程组,便于分析计算.作为数值例子,研究了流体饱和粘弹性多孔柱体的一维动力响应,数值结果揭示了流体饱和粘弹性多孔柱体中波的传播特性以及固相粘性的影响.     

流体力学变分原理及有限元法研究的进展

本文对流体力学变分原理的发展,特别是近二十来年连同育限元的发展与现状,作一简要的综合评述,并展望今后的发展方向,提供若干参考意见。     

物理变分原理及其在电磁介质中的应用

和数学变分原理的意义不同,物理变分原理是物理界的客观规律,是基本规律.热力学定律是能量守恒定律,指任一自然过程的能量总是守恒的;但同时又是物理变分原理,指从一种状态变化到另一无限接近的状态,在所有可能的稳定过程中,真实过程的能量取极小值,因而又是动量定律.特别是对于存在迁移变分的过程和偏离平衡态不大的不可逆过程,物理变分原理特别有效,可以用来推求连续介质的控制方程,且尚未完全研究透彻.本文对这一原理及其在电磁介质中的某些应用进行了一些研究.     

粘性流体动力学有限元变分原理

本文把建立有限元变分原理的一种新方法“N>2直接方法”从固体力学推广到流体力学,并用该方法把粘性流体动力学的广义功率消耗原理和广义变分原理发展成为有限元变分原理。还在论证中发现,相邻有限元交界面上的应力协调条件会自然地满足而无需引进任何拉民乘子。本文还建立了混合杂交非协调元的变分原理和广义变分原理,它解除了全部协调性约束条件和其它的边界性约束条件,但是并不增加待定的拉氏乘子,因此使有限元计算得到简化。本文结果可以作为粘性流体动力学有限元计算的基础定理。     

不可压流体饱和多孔弹性梁的变分原理及有限元方法

基于不可压饱和多孔弹性梁动力弯曲的数学模型,建立了以多孔弹性梁挠度和孔隙流体压力等效力偶为宗量的Gurtin型变分原理,并给出了特殊边界条件下解耦时的仅以挠度为宗量的变分原理.同时,作为动力响应的退化情形,讨论了拟静态情形下的相应变分原理.根据所建立的变分原理,导出了一个有限元离散公式.由于Gurtin型变分原理是关于时间的卷积型的泛函,空间的有限元离散导致一个关于时间的对称微分一积分方程组,此方程组可进一步转化为常微分方程组.利用隐式Euler法,给出了时间区域的计算格式.作为一个数值例子,分析了饱和多孔弹性悬臂梁在自由端简谐载荷作用下的动力响应,分析了流相与固相相互作用对饱和多孔弹性悬臂梁动力响应的影响.     

流体饱和两相多孔介质拟静态问题的有限元解法

给出基于混合物理论的流体饱和两相多孔介质模型,该模型由一可变形固体 一流体相组成。采用Ｇａｌｅｒｋｉｎ加权残值法导出求解拟静态问题的有限元公式,并编制了二维有限元程序。用程序分析了一维和二维问题,得到合理的结果。     

基于显式有限元方法的两相多孔介质地震反应研究

基于流体饱和两相多孔介质的弹性波动方程组,运用显式逐步积分格式与局部透射人工边界相结合的时域显式有限元方法对该波动方程组进行求解,对两相多孔介质在输入地震波作用下的弹性动力反应进行了计算和分析,以揭示两相多孔介质弹性地震反应的规律和性质.计算结果表明:两相介质弹性地震反应时程的波形与入射地震波的波形相同,且弹性地震反应的峰值出现的时刻对应于入射地震波的峰值出现的时刻.本文的数值计算同时表明了时域显式有限元方法在进行两相多孔介质地震反应计算分析时的有效性.     

电磁接触问题的变分原理与有限元求解

电磁接触耦合作用的力学分析的难点是必须考虑电磁场以及由此引起的电磁力与可移动接触边界间的耦合作用，属于强非线性问题。本文给出接触面区域电磁场分析的处理条件，并进一步建立了两类变分方程，一类是电磁分析的变分泛函，其考虑了接触区域对结构电磁场的影响；另一类是二维电磁力学接触分析的参数变分原理，可以方便地对接触问题进行求解。数值结果验证了本文的理论与算法。     

刚性有限元的参变量变分原理及有限元参数二次规划解

本文建立了刚性有限元的参变量变分原理,并给出了严格的证明。利用本文的方法进行弹塑性分析,不但计算量小,精度高,收敛快,而且可以处理非法向流动问题,并为岩体稳定性分析提供了一种有效的途径。     

关节软骨两相多孔介质非线性模型的有限元方法

基于混合物理论的两相多孔介质模型可以准确描述关节软骨的力学行为，关节软骨的渗透率与固体相体积应变相关。本文研究这一模型的非线性有限元法。具体采用伽辽金加权残值法得到有限元平衡方程，编制了有限元程序，进而对关节软骨围限压缩蠕变和应力松弛行为进行了数值模拟。与视渗透率为常数的线性模型的计算结果比较表明，在变形较大时，渗透率随固体相体积应变变化这一非线性效应不容忽视。     

基于参变量变分原理的非均质多边形微结构材料弹塑性分析

为了更好地模拟复合材料及含夹杂非均质材料等的宏观弹塑性力学性能,简化有限元建模时间和减少有限元模拟计算量。本文基于参变量变分原理,提出了一种采用任意多边形弹塑性单元进行结构非线性分析的参数二次规划算法,给出了参变量最小势能原理以及最终的二次规划模型,并在有限元分析与优化设计软件系统JIFEX上进行了程序实现。数值算例证明了本文方法的正确与可行性。     

Stochastic Finite Element Analysis for Multiphase Flow in Heterogeneous Porous Media

This study is concerned with developing a two-dimensional multiphase model that simulates the movement of NAPL in heterogeneous aquifers. Heterogeneity is dealt with in a probabilistic sense by modeling the intrinsic permeability of the porous medium as a stochastic process. The deterministic finite element method is used to spatially discretize the multiphase flow equations. The intrinsic permeability is represented in the model via its Karhunen–Loeve expansion. This is a computationally expedient representation of stochastic processes by means of a discrete set of random variables. Further, the nodal unknowns, water phase saturations and water phase pressures, are represented by their stochastic spectral expansions. This representation involves an orthogonal basis in the space of random variables. The basis consists of orthogonal polynomial chaoses of consecutive orders. The relative permeabilities of water and oil phases, and the capillary pressure are expanded in the same manner, as well. For these variables, the set of deterministic coefficients multiplying the basis in their expansions is evaluated based on constitutive relationships expressing the relative permeabilities and the capillary pressure as functions of the water phase saturations. The implementation of the various expansions into the multiphase flow equations results in the formulation of discretized stochastic differential equations that can be solved for the deterministic coefficients appearing in the expansions representing the unknowns. This method allows the computation of the probability distribution functions of the unknowns for any point in the spatial domain of the problem at any instant in time. The spectral formulation of the stochastic finite element method used herein has received wide acceptance as a comprehensive framework for problems involving random media. This paper provides the application of this formalism to the problem of two-phase flow in a random porous medium.     

A Subgrid-Scale Stabilized Finite Element Method for Multicomponent Reactive Transport through Porous Media

Standard Galerkin finite element methods (GFEM) lack stability in solving advection-dominated solute transport in porous media. They usually require prohibitively fine grids and extremely small time steps to solve for advection-dominated problems. The algebraic subgrid-scale stabilized (ASGS) finite element method has been proved to overcome such problems for single-species reactive transport. Its potential for dealing with multicomponent reactive transport has not yet been explored. Here we present a numerical formulation of ASGS for steady and transient multicomponent reactive transport. Subgrid-scale transport equations are solved first by using an ASGS approximation and their solutions are substituted back into the grid-scale equations. A sequential iteration approach (SIA) is used to solve for coupled transport and chemical equations. Coupling of ASGS and SIA, ASGS+SIA, has been implemented in a reactive transport code, CORE^2D V4, and verified for conservative solute transport. ASGS+SIA has been tested for a wide range of 1-D transient multicomponent reactive transport problems involving different types of chemical reactions such as: (1) Kinetically controlled aqueous species degradation, (2) Kinetic mineral dissolution, (3) Serial-parallel decay networks, and (4) Cation exchange and pyrite oxidation at local equilibrium. ASGS+SIA always provides accurate solutions and therefore offers an efficient option to solve for advection-dominated multicomponent reactive transport problems.