基于浸入边界-有限元法的流固耦合碰撞数值模拟方法

针对流固耦合碰撞问题,建立了流体中固体与固体碰撞界面解析直接模拟方法,采用清晰界面浸入边界法模拟流体中的动边界问题,避免了传统贴体网格方法在求解流体中存在固体间碰撞问题时网格出现负体积的问题,采用基于罚函数的有限元方法对固体的运动和碰撞进行求解,以分域耦合方式实现流体域和固体域的耦合求解.通过与静止流体中球形颗粒与壁面正碰撞和斜碰撞的实验数据对比,验证了建立的数值模拟方法对流体中固体与固体碰撞数值模拟的正确性,获得了流体域流场在碰撞前后随时间的变化,同时通过该文建立的数值模拟方法也获得了固体域中固体的碰撞力和应力.未来,将把该数值模拟方法应用到流体流动环境中,如固体颗粒对管道的冲蚀、流体诱导海洋立管之间的碰撞、坠物对海底管道的撞击等.     

考虑钻具接头影响的环空压耗计算

控压钻井是针对"窄安全压力窗口"现象所引起的勘探开发过程中的钻井难题所提出的,井筒压力分布的准确预测是保证控压钻井顺利实施的前提,为提高井筒压力的预测精度需准确计算环空摩阻压耗,应用量纲分析理论,综合考虑钻具接头、钻具旋转的影响,修正了环空摩阻压耗计算模型,提高了井筒压力的预测精度.模型研究表明:随着钻井液排量的增加,钻井液从层流变为紊流,局部摩阻压耗明显增加;且井越深,接头的累计压耗越大,接头对总摩阻压耗的贡献增加.随着钻具旋转速度的增加,环空压耗的增加或减少取决于惯性力与剪切稀释的共同作用.     

三维横向流体诱发直管振动的数值模拟

基于有限体积法和有限元法,结合动网格控制技术,建立了横向流体作用下三维弹性直管流致振动计算的数值模型,实现了计算结构动力学与计算流体力学之间的联合仿真．首先,通过对刚性管的静止绕流计算,研究了网格离散方式和不同湍流模型对圆柱类结构静止绕流流场特征的影响和预测能力,得到了适用于双向耦合分析的CFD模型;其次,利用基于双向流固耦合方法的流致振动模型,计算并分析了流体力与结构位移间的相位关系,指出流体力与位移间的相位差是由流体力引起的,同时对双向耦合和单向耦合进行了比较分析;最后通过对直管流致振动的数值计算,联合管表面压力、尾流区时均速度、分离角等时均量,分析了尾流区的流场特征.     

计及Hall和离子滑移电流的旋转流体在与时间相关初值条件下的MHDCouette流动

考虑Hall和离子滑移电流的影响,在旋转系统中研究导电流体非稳定的MHD Couette流动．在小数值磁场Reynolds数假定下,推导出基本的控制方程,使用著名的Laplace变换技术,数值地求解该基本方程．分两种情况:磁场相对于流体或者移动平板固定时,得到速度和表面摩擦力统一的闭式表达式．用图形讨论了问题的不同参数,对速度和表面摩擦力的影响．所得结果显示,主流速度u和次生速度v随着Hall电流而增大．离子滑移电流的增大,也会导致主流速度u的增大,但会使次生速度v减小．还给出了旋转、Hall和离子滑移参数的综合影响,确定了次生运动对流体流动的贡献．     

二元海水液滴对心碰撞过程数值模拟

为研究海水循环冷却系统中液滴碰撞的基本规律及碰撞结果预测模型,采用流体体积函数(volume of fluid,VOF)方法捕捉两相交界面,利用动态网格自适应技术提高求解精度,对二元海水液滴的对心碰撞过程进行直接数值分析与模拟.首先对氮气中正十四烷液滴的碰撞实验进行数值模拟,验证了数值模型的可靠性.开展了常温常压下等尺寸二元海水液滴对心碰撞数值研究,分析了液滴碰撞过程流场结构及流动机理,研究了不同液滴直径和不同海水浓度对碰撞过程的影响规律,得到了聚合和自反分离两种碰撞结果类型以及二者的临界Weber数.总结出不同Ohnesorge数下海水液滴碰撞结果诺模图.     

川渝裂缝性地层自动压井环空多相压力波速特性研究北大核心CSCD

考虑虚拟质量力、环空沿程压力、气液相间阻力、气体滑脱、环空空隙率等因素,基于小扰动理论,提出了裂缝性地层自动压井环空多相压力波速数学模型,结合半显式差分方法,以彭州PZ-5-3D井(垂深5827 m)为实例,对模型编程求解.结果表明:裂缝性地层出气具有段塞流特点,随空隙率增大,压力波速呈现先减小后增大趋势;空隙率在0%至16%区间,压力波速以液弹为主,压力波速呈急剧下降趋势;空隙率在16%至40%区间,压力波速趋于平缓恒定值;空隙率在42%至100%区间,压力波速呈现增大趋势,压力波速以气弹为主;随环空井深减小,环空空隙率减小,压力波速整体呈现减小趋势;随压井循环排气井口回压增大,压力波速整体呈现增大趋势;环空空隙率在0%至13%区间内,气体滑脱速度对压力波速影响不大;环空空隙率在13%至85%区间内,随气体滑脱速度增大,压力波速呈现减小趋势;节流阀调阀时间间隔与井底压力响应时间具有跟随性,随井底压力响应时间增大,调阀时间间隔增大.     

圆筒流体域内管束振动与碰撞接触的流固耦合动力学方法研究

在海洋平台、核电站、石油石化等工业中,海洋从式井组隔水管、换热器管束等在流体作用下,可能诱导管束振动过大,引起管束之间碰撞,从而导致管束失效.这是一种典型的管束振动与碰撞接触的流固耦合动力学问题.但管束与流体耦合动力学及其碰撞接触的研究成果还未见报道.该文针对管束振动与碰撞接触非线性动力学问题,以三维管束及圆筒流体域内的非定常流体为研究对象,不仅考虑流固耦合界面位移、速度协调以及载荷平衡条件,还考虑管束接触边界以及流体域耦合边界拓扑结构的改变,建立了圆筒流体域内管束振动与碰撞力学模型及算法.算例结果表明,在圆筒流体域内,弹性管束发生接触碰撞时,流体压力在管束接触点处相等,且流体在管束侧流面流动较快.     

三维稳态对流扩散问题的无网格求解算法研究

无网格法是一种不需要生成网格就可模拟复杂形状流场计算的流体力学问题求解算法.为了提高基于Galerkin弱积分形式的无网格方法求解三维稳态对流扩散问题的计算效率,提出了在空间离散上采用基于凸多面体节点影响域的无网格形函数,并通过选取适当节点影响半径因子避免节点搜索问题,同时减少系统刚度矩阵带宽.计算中当节点影响因子为1.01时,无网格方法的形函数近似具有插值特性且本质边界条件的施加与有限元一样简单.三维立方体区域的稳态对流扩散数值算例表明:在保证计算精度的同时,采用凸多面体节点影响域的无网格方法比传统无网格方法最高可节省计算时间42%.因此从计算效率和精度考虑,在运用无网格方法求解三维问题时建议采用凸多面体节点影响域的无网格方法.     

基于高阶空间精度格式和嵌套网格对旋翼尾迹捕捉的改进

发展了一种基于高阶迎风格式和嵌套网格捕捉直升机悬停旋翼涡尾迹的方法．无粘通量采用Roe Reimann求解器,使用改进的5阶加权基本无振荡(WENO)格式对交界面左右状态进行高阶插值,并与MUSCL插值进行比较．为便于捕捉尾迹和实施周期性边界条件,计算采用结构嵌套网格,其中高质量的旋翼网格完全嵌套于背景网格中．当解达到近似收敛后在桨尖涡分布区域对背景网格进行加密,如此经过3次得到优化的背景网格．考虑到WENO格式插值的特点,提出了搜索3层洞边界和人工外边界的方法以便插值的直接进行．用该方法对一跨音速和一亚音速悬停旋翼粘性流场进行了数值计算．数值结果表明:所发展方法对涡尾迹具有很高的捕捉能力;与MUSCL格式相比,WENO格式具有较低的数值耗散．     

趋旋性微生物在幂律流体饱和水平多孔层中的热-生物对流稳定性分析

基于趋旋性微生物和幂律流体模型,研究了在含有非Newton流体饱和多孔介质中生物对流的线性稳定性问题.利用Galerkin数值方法求解了该系统的控制方程,得到生物Rayleigh数的数值解,讨论了非Newton流体的幂律指数对生物对流稳定性在假塑性流体和膨胀性流体间的变化规律.研究结果表明,随着幂律流体的速度增大,幂律指数对生物对流稳定性的影响会发生变化,并且这种变化会受到热Rayleigh数和生物Lewis数的影响.另外,微生物趋旋性特征越明显,生物对流系统就越不稳定,而适当增大非Newton流体的幂律指数则有利于系统的稳定性.     

有界多连通区域数值保角变换的GMRES(m)法北大核心CSCD

求解复杂多连通区域的保角变换函数是困难的.针对这一问题,该文将求解保角变换函数转化为利用模拟电荷法求解一对定义在问题区域上的共轭调和函数,再根据边界条件建立约束方程,并利用GMRES(m)(the generalized minimal residual method)算法求解约束方程,获得了模拟电荷,进而构造了高精度的近似保角变换函数,将有界多连通区域映射为三种无界正则狭缝域.数值实验验证了该文算法的有效性.     

Robertson-Stiff流体在偏心环空中的流动

石油钻井和完井过程中,经常出现泥浆、水泥浆和完井液在偏心环空中的流动。Robertson-Stif流体在描述这些流体的流变性时有很高的精度。文中根据Robertson-Stif流体的流变方程和偏心环空环隙间距的几何关系,利用相似原理,求解了该流体在偏心环形空间中作层流轴向流动时适于工程应用的二元速度分布,以及平均流速、流量和压降的表达式。研究表明:液体在偏心环形空间流动时与在同心环空中流动的最大差异,在于流经偏心环空不同间隙处流速的较大差异。文中还把Robertson-Stif流体的计算结果与采用宾汉模式和幂律模式的计算结果进行了对比。     

Moving mesh method for a reaction-diffusion equation with traveling heat source on unbounded domain

对无界区域上带移动热源的反应扩散方程提出了局部吸收边界条件.移动网格方法对导出的有界区域问题进行了求解.数值例子显示了当热源移动的速度比较慢的时候,方程会在有限时间内发生爆破现象.而当热源移动的速度足够快时,爆破现象不会发生.数值例子验证了新方法的有效性和精确性.     

求解粘性流体和热迁移联立方程的迎风局部微分求积法

微分求积方法(DQM)已成功地应用于数值求解流体力学中的许多问题．但是已有的工作大多限于正规区域的流动问题,同时缺少用迎风机制来描述流体流动的对流特性．该文对一个不规则区域中的不可压缩层流和热迁移的耦合问题给出了一种具有迎风机制的局部微分求积方法,对通过边界和坐标不平行的收缩管道中的流体,只用少数网格点得到了比较好的数值解．和有限差分方法（FDM）相比较,这一方法具有计算工作量少、存储量小和收敛性好等优点．     

非牛顿流体偏心环空螺旋流的解析解

石油和化工中许多问题需要求解非牛顿流体偏心环空螺旋流。本文全面地研究了幂律流体和宾汉流体在偏心环空中层流螺旋流的流动规律与流动状态的判别。在理论上,根据流体力学原理,运用数学方法,在作者同心环空螺旋流的理论基础上,通过对偏心环空螺旋流流场的无限细分法,给出了该流场的视粘度分布、速度分布、流量和压降方程,进而建立了判别流态的稳定性参数。     

高可扩展区域分解算法及其在流体模拟和优化问题中的应用

本文介绍一套求解复杂流体模拟和优化控制问题的高可扩展并行算法.该算法基于非结构化网格,结合了加稳定化项的有限元空间离散方法、全隐的时间离散格式、多物理场全耦合的求解算法、区域分解算法及求解非线性系统的Newton-Krylov-Schwarz算法等多套先进算法.利用该算法,本文对多个实际工程应用中流体模拟和优化设计问题进行了测试,数值结果显示,该算法对本文研究的几类问题,具有很好的收敛性和并行可扩展性,当使用8192个处理器核求解规模超过两千万个网格单元的问题时,仍然具有超过40%的并行效率.     

微极流体薄膜层通过以滑移速度移动的可渗透无限平板时流体特性变化和热辐射对流动和热传导的影响

微极流体薄膜层通过按滑移速度移动的可渗透无限竖直平板时,研究热辐射对混合对流薄膜层流动和热传导的影响.假定流体粘度和热传导率变化是温度的一个函数.对一些典型的可变参数值,应用Chebyshev谱方法,数值求解流动的控制方程.将所得结果与已发表文献的结果进行比较,结果是一致的.绘出并讨论了可变参数对速度、微旋转速度、温度分布曲线、表面摩擦因数和Nusselt数的影响.     

有限流体域内不同位置处的柔性管涡致振动机理研究

针对有限流体域内柔性管的涡致振动问题,将柔性管离散为若干空间梁单元,流体域采用实体单元离散,建立了有限流体域内柔性管系统的流固耦合模型及数值计算方法,设计并加工圆柱流体域内柔性管振动专用实验装置,采用GWT-2B双轴加速度传感器对柔性管的振动进行监测,并与数值模拟结果进行对比,吻合程度较好.基于该文的模型和方法,对圆柱流体域内不同位置处柔性管的涡致振动机理进行研究.结果表明,柔性管偏离入口流速位置的角度越大,越容易发生流体弹性不稳定性,柔性管的振动愈剧烈;而正对入口流速的位置,不易发生流体弹性不稳定性,柔性管振动减弱.     

流经有热源多孔平板并伴有化学反应的传热传质混合对流MHD流动

对流经无限竖直多孔平板的不可压缩粘性导电流体,稳定的传热传质混合对流MHD流动问题,给出了精确解和数值解.假定均匀磁场横向作用于流动方向,考虑了感应磁场及其能量的粘性和磁性损耗.多孔平板有恒定的吸入速度并均匀地混入流动速度.用摄动技术和数值方法求解控制方程.得到了平板上速度场、温度场、感应磁场、表面摩擦力和传热率的分析表达式.相关参数取不同数值时,用图形表示出问题的数值结果.讨论了从平板到流体的Hartmann数、化学反应参数、磁场的Prandtl数,以及包括速度场、温度场、浓度场和感应磁场等其它参数的影响.可以发现,热源/汇或Eckert数的增大,极大地提高了流体的速度值.x-方向的感应磁场随着Hartmann数、磁场的Prandtl数、热源/汇和粘性耗散的增大而增大.但是,研究表明,随着破坏性化学反应(K0)的增大,流动速度、流体温度和感应磁场将减小.对色谱分析系统和材料加工的磁场控制,该研究在热离子反应堆模型、电磁感应、磁流体动力学传输现象中得到了应用.     

一类具有相互干扰的食饵-捕食者模型的定性分析

研究了一类具有相互干扰和非线性饱和功能性反应且食饵种群非线性增长的食饵-捕食者模型的动力学行为.利用Pioncare-Bendixson环域定理,张芷芬唯一性定理,旋转向量场理论,获得了保证系统的边界平衡点和正平衡点全局渐近稳定的阀值条件.最后,给出了数值模拟结果.