阶梯圆柱形耦合声场的特征正交-里兹法建模及声学特性分析

针对阶梯圆柱形耦合声场建模问题,提出基于特征正交-里兹能量原理的声学建模方法.该方法利用二维特征正交多项式和周向傅里叶级数表征阶梯圆柱形耦合声场子分段的声压函数,从能量角度考虑邻近子声场间声学连续性条件,并结合里兹法获得耦合声场的声学特性.基于本建模方法对不同分段的耦合声场开展声学特性分析,结果表明,本建模方法在保证计算准确性的基础上有效提高了计算效率,且对任意阶梯分段的圆柱形耦合声场普遍适用;圆柱形耦合声场固有频率会随着腔体外径增大而普遍增大,而腔深的影响规律相反;降低声学边界阻抗可抑制声学响应幅值,为此类声场的噪声控制提供了设计依据.     

声学黑洞结构应用中的力学问题

声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应是利用薄壁结构几何参数或者材料特性参数的梯度变化,使波在结构中的传播速度逐渐减小,理想情况下波速减小至零从而不发生反射的现象.实现声学黑洞效应的主要方法是将薄板结构的厚度按照一定规律裁剪,利用声学黑洞可以将结构中传播的波动能量聚集在特定的位置.声学黑洞对波的聚集具有宽频高效、实现方法简单灵活等特点,在薄壁结构的减振降噪、能量回收等应用中具有明显的优势.本文介绍声学黑洞效应的基本原理、相关力学问题的研究进展和有待进一步探究的问题,包括声学黑洞结构的建模与分析方法、实验研究方法及进展、声学黑洞结构中波的传播与操控,以及声学黑洞在工程应用中的相关问题.     

声学黑洞结构应用中的力学问题

声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应是利用薄壁结构几何参数或者材料特性参数的梯度变化,使波在结构中的传播速度逐渐减小,理想情况下波速减小至零从而不发生反射的现象.实现声学黑洞效应的主要方法是将薄板结构的厚度按照一定规律裁剪,利用声学黑洞可以将结构中传播的波动能量聚集在特定的位置.声学黑洞对波的聚集具有宽频高效、实现方法简单灵活等特点,在薄壁结构的减振降噪、能量回收等应用中具有明显的优势.本文介绍声学黑洞效应的基本原理、相关力学问题的研究进展和有待进一步探究的问题,包括声学黑洞结构的建模与分析方法、实验研究方法及进展、声学黑洞结构中波的传播与操控,以及声学黑洞在工程应用中的相关问题.     

Mechanics problems in application of acoustic black hole structures

声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应是利用薄壁结构几何参数或者材料特性参数的梯度变化,使波在结构中的传播速度逐渐减小,理想情况下波速减小至零从而不发生反射的现象.实现声学黑洞效应的主要方法是将薄板结构的厚度按照一定规律裁剪,利用声学黑洞可以将结构中传播的波动能量聚集在特定的位置.声学黑洞对波的聚集具有宽频高效、实现方法简单灵活等特点,在薄壁结构的减振降噪、能量回收等应用中具有明显的优势.本文介绍声学黑洞效应的基本原理、相关力学问题的研究进展和有待进一步探究的问题,包括声学黑洞结构的建模与分析方法、实验研究方法及进展、声学黑洞结构中波的传播与操控,以及声学黑洞在工程应用中的相关问题.     

基于Chebyshev展开的区间穿孔板超材料分析

目前对于声学超材料的传输特性分析和优化大多是基于确定的数值和确定的模型,然而在实际工程和结构设计中存在大量材料自身特性和几何物理参数的不确定性.如果忽略这些不确定变量对声学超材料传输特性分析和优化过程的影响,得到的结果可能不正确.针对这一现状,拟将切比雪夫区间模型引入多层穿孔板超材料,提出多层穿孔板超材料声学透射率的区间切比雪夫展开-蒙特卡洛模拟法(interval Chebyshev expansionMonte Carlo simulation method,ICE-MCSM).该方法采用截断切比雪夫多项式近似拟合多层穿孔板超材料的声学透射率响应曲线,构造声学透射率响应曲线的切比雪夫代理模型;然后采用蒙特卡洛模拟法(Monte Carlo simulation method,MCSM)随机生成一定数量的不确定区间变量的样本数据点,并将生成的不确定区间变量样本数据点代入切比雪夫代理模型,预测单个不确定区间变量和多个不确定区间变量条件下的多层穿孔板超材料声学透射率区间的上界和下界.数值分析结果表明,ICE-MCSM预测的声学透射率变化区间的上界和下界与直接蒙特卡洛法(direct Monte Carlo simulation method,DMCSM)预测的声学透射率上界和下界的结果非常接近.与DMCSM相比,ICE-MCSM具有更高的计算效率.因此,ICE-MCSM可有效且高效地分析不确定区间变量条件下多层穿孔板超材料声学透射率传输特性,具有良好的工程应用前景.     

基于人工神经网络的湍流大涡模拟方法

大涡模拟方法(LES)是研究复杂湍流问题的重要工具,在航空航天、湍流燃烧、气动声学、大气边界层等众多工程领域中具有广泛的应用前景.大涡模拟方法采用粗网格计算大尺度上的湍流结构,并用亚格子(SGS)模型近似表达滤波尺度以下的流动结构对大尺度流场的作用.传统的亚格子模型由于只利用了单点流场信息和简单的函数关系,在先验验证中...     

二维稳态辐射声场的光滑有限元-完美匹配层解法

针对外场声学有限元计算精度偏低的问题, 将光滑有限元技术引入到二维稳态辐射声场预测中, 提出了光滑有限元-完美匹配层解法. 该解法采用完美匹配层截断声场计算域, 并将其离散为等参四边形单元, 采用指数吸收函数实现完美匹配层内参数坐标和笛卡尔坐标的映射关系, 采用光滑声压梯度技术计算辐射声场刚度矩阵, 将形函数梯度的域内积分转换为形函数域边界积分. 某汽车二维声腔辐射声场的数值分析结果表明, 与标准有限元-完美匹配层相比, 光滑有限元-完美匹配层解法在完美匹配层内的声波吸收效果更好, 在计算域内的数值计算精度更高, 具有良好的工程应用前景.      

两点边值问题的小波配点法

根据多分辨分析,提出用任意连续的尺度函数构造区间上的插值基函数,形成以尺度函数为基础的求解两点边值问题的小波配点法.该方法中,尺度函数不受紧支撑、插值等性质的限制,计算复杂度小,数值解收敛性由多分辨分析理论保证.同时,给出边值条件的积分处理方法,能够方便地处理任意边界条件,当尺度函数不具有高阶导数时,该方法也能有效使用.数值算例表明,该方法是一个高效、高精度的算法.     

基于声学超材料的穿孔板缺陷态俘能特性研究

论文提出了一套适用于在低频段区间工作的声学超材料俘能装置.通过在含孔的声学超材料结构中制造一个局域共振缺陷态,进而将入射声波的弹性应变能集中在缺陷区域中,并利用压电晶片实现能量的转化.论文采用有限元的方法研究了元胞含孔的声学超材料在共振频率下俘获功率与电压的性能.进一步地,通过逐渐改变孔的尺寸,探究了孔径大小对俘能效果的影响.数值计算结果表明:相比于元胞不含孔的声学超材料俘能装置,通过在元胞上打孔可以明显地提高装置在低频段的俘能特性.论文提出的装置具有易加工,实用性强等优点,进一步提高了其在低频区间俘能的工作能力,具有潜在的应用前景.     

五零能模式材料设计的非线性有限元计算方法

五零能模式材料是一种新型人工超材料,特征为其弹性模量矩阵的6个特征值中5个为零,可用等效体积模量来描述,表现出类似流体的性质,可被应用于声学隐声斗篷的设计中.然而,根据Norris A N[1]提出的理论,设计五零能模式材料时,与应用变换声学方法设计一般声学人工超材料不同,要求其满足一非线性偏微分方程约束.论文利用非线性有限元的完全拉格朗日方法,推导了这一偏微分方程的弱形式,并给出了相应的非线性有限元计算列式,以及迭代求解的具体算法.最后,给出了五零能摸式材料设计的二维和三维坐标变换数值算例.     

带源参数的二维热传导反问题的无网格方法

利用无网格有限点法求解带源参数的二维热传导反问题,推导了相应的离散方程. 与 其它基于网格的方法相比,有限点法采用移动最小二乘法构造形函数,只需要节点信息,不 需要划分网格,用配点法离散控制方程,可以直接施加边界条件,不需要在区域内部求积分. 用有限点法求解二维热传导反问题具有数值实现简单、计算量小、可以任意布置节点等优点. 最后通过算例验证了该方法的有效性.     

二维含裂纹结构与声耦合问题研究

应用分形有限元方法结合边界元方法研究了二维含裂纹结构和声耦合问题.采用二级分形有限元方法对含裂纹的弹性结构体进行离散处理,这样可以使得自由度数大大地减少;无限大外域声场的计算使用边界元方法,可以自动满足无穷远辐射条件.数值仿真算例结果表明:结构声耦合系统的共振频率随着裂纹深度的增加而下降;裂纹附近的声场所受的影响较为明显.     

局部人工边界稳定性的一种分析方法

采用时域局部人工边界同有限元或有限差分相结合的方法分析无界域中的波动问题时可能出现由边界引起的数值失稳现象．本文提出一种分析局部人工边界稳定性的实用方法．该方法从时域逐步积分格式出发，考虑了边界节点运动和内部节点运动的耦合以及离散化的影响，可以给出局部人工边界在多维波动数值模拟中的稳定性近似准则．文中对多次透射边界在一维及二维出平面波动模拟中稳定性的分析结果，表明了该方法的合理性     

Modeling Three-Dimensional Groundwater Flows by the Body-Fitted Coordinate (BFC) Method: I. Stationary Boundary Problems

Based on the body-fitted coordinate (BFC) method, a three-dimensional finite difference computer code, BFC3DGW, was developed to simulate groundwater flow problems. Methodology and solution procedures of the BFC method for simulating groundwater flows, particularly when the flow domain is stationary as in the case of confined aquifers, are described. The code was verified by comparing numerical results with analytical solutions for well-flow problems in an isosceles right-triangular aquifer. An example simulation is made to demonstrate capability of the code for solving flow problems in anisotropic aquifers where directions of anisotropy change continuously. The method differs from the conventional finite difference method (FDM) in the ability to use a flexible, nonorthogonal, and body-fitted grid. The main advantages of the method are the convenience of grid generation, the simplified implementation of boundary conditions, and the capability to construct a generalized computer code which can be consistently applied to problem domains of any shape.     

基于图像四叉树的改进型比例边界有限元法研究

为提高数值计算的精度,断裂力学问题的数值模拟需要在裂纹扩展的局部区域采用较密的网格,而远离裂纹扩展的区域可采用较疏的网格,且对于裂纹扩展问题的数值模拟,大多数数值方法又存在局部网格重剖分的问题.论文提出了一种基于图像四叉树的改进型比例边界有限元法用于模拟裂纹扩展问题,该方法可根据结构域几何外边界的图像全自动进行四叉树网格剖分,无需任何人工干预,网格剖分效率极高,由于比例边界有限元法本身的优势,四叉树网格的悬挂节点可以直接地视为新的节点,无需任何特殊处理.通过引入虚节点的思想,将裂纹与四叉树单元边界交叉点作为虚节点,虚节点的自由度作为附加自由度处理,并采用水平集函数表征材料内部的裂纹面,含不连续裂纹面的子域可通过节点水平集函数识别,使得裂纹扩展时无需进行网格重剖分,界面的几何特征通过比例边界有限元子域的附加自由度表征.最后,通过若干算例验证了该方法的性能,建议的改进型比例边界有限元法在求解复合型应力强度因子和模拟材料内部裂纹扩展路径时均具有较高的精度.     

Eigenproblems of two-dimensional acoustic cavities with smoothly varying boundaries by using the generalized multipole method

This paper presents a semi-analytical approach to solve the eigenproblem of a two-dimensional acoustic cavity with smoothly varying boundaries. The multipole expansion for the acoustic pressure is formulated in terms of Bessel and Hankel functions to satisfy the Helmholtz equation in the polar coordinate system. Rather than using the addition theorem, the multipole method and directional derivative are both combined to propose a generalized multipole method in which the acoustic pressure and its normal derivative with respect to non-local polar coordinates can be calculated. The boundary conditions are satisfied by uniformly collocating points on the boundaries. By truncating the multipole expansion, a finite linear algebraic system is acquired. The direct searching approach is applied to identify the natural frequencies using the singular value decomposition technique. Several numerical examples are presented, including those of an annulus cavity, a confocal elliptical annulus cavity and an arbitrarily shaped cavity with an inner elliptical boundary. The accuracy and numerical convergence of the proposed method are validated by comparison with results of the available analytical method and the commercial finite-element code ABAQUS. No spurious eigensolutions are found in the proposed formulation. Due to its semi-analytical character, excellent accuracy and fast rate of convergence are the main features of the proposed method.     

低渗透多孔介质渗流动边界模型的解析与数值解

考虑启动压力梯度的低渗透多孔介质非达西渗流模型属于强非线性动边界问题, 分别利用相似变量变换方法和基于空间坐标变换的有限差分方法, 对内边界变压力情况下、考虑启动压力梯度的一维低渗透多孔介质非达西渗流动边界模型进行了精确解析与数值求解研究. 研究结果表明:该动边界模型存在唯一的精确解析解, 且所求得的精确解析解可严格验证数值解的正确性;且当启动压力梯度值趋于零时, 非达西渗流动边界模型的精确解析解将退化为达西渗流情况下的精确解析解. 由求解结果作出的非零无因次启动压力梯度下的地层压力分布曲线表现出紧支性特点, 其与达西渗流模型的有显著不同. 因此, 研究低渗透多孔介质中非稳态渗流问题时, 应该考虑动边界的影响. 研究内容完善了低渗透多孔介质的非达西渗流力学理论, 为低渗透油气藏开发的试井解释与油藏数值模拟技术提供了理论基础.      

Solution of the planar Newtonian stick–slip problem with the singular function boundary integral method

A singular function boundary integral method (SFBIM) is proposed for solving biharmonic problems with boundary singularities. The method is applied to the Newtonian stick–slip flow problem. The streamfunction is approximated by the leading terms of the local asymptotic solution expansion which are also used to weight the governing biharmonic equation in the Galerkin sense. By means of the divergence theorem the discretized equations are reduced to boundary integrals. The Dirichlet boundary conditions are weakly enforced by means of Lagrange multipliers, the values of which are calculated together with the singular coefficients. The method converges very fast with the number of singular functions and the number of Lagrange multipliers, and accurate estimates of the leading singular coefficients are obtained. Comparisons with the analytical solution and results obtained with other numerical methods are also made. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

Application of a preconditioned high‐order accurate artificial compressibility‐based incompressible flow solver in wide range of Reynolds numbers

In the present study, the preconditioned incompressible Navier‐Stokes equations with the artificial compressibility method formulated in the generalized curvilinear coordinates are numerically solved by using a high‐order compact finite‐difference scheme for accurately and efficiently computing the incompressible flows in a wide range of Reynolds numbers. A fourth‐order compact finite‐difference scheme is utilized to accurately discretize the spatial derivative terms of the governing equations, and the time integration is carried out based on the dual time‐stepping method. The capability of the proposed solution methodology for the computations of the steady and unsteady incompressible viscous flows from very low to high Reynolds numbers is investigated through the simulation of different 2‐dimensional benchmark problems, and the results obtained are compared with the existing analytical, numerical, and experimental data. A sensitivity analysis is also performed to evaluate the effects of the size of the computational domain and other numerical parameters on the accuracy and performance of the solution algorithm. The present solution procedure is also extended to 3 dimensions and applied for computing the incompressible flow over a sphere. Indications are that the application of the preconditioning in the solution algorithm together with the high‐order discretization method in the generalized curvilinear coordinates provides an accurate and robust solution method for simulating the incompressible flows over practical geometries in a wide range of Reynolds numbers including the creeping flows.     

黏弹性人工边界等效荷载计算的改进方法

黏弹性人工边界在场地地震反应和结构-地基动力相互作用等问题的计算中已得到了广泛的应用.地震波在黏弹性人工边界中的输入是通过将地震波转化为作用于人工边界处的等效载荷来实现的.计算等效节点载荷的常规方法默认边界节点对应区域内的应力为均布力,但实际上该节点对应区域内的应力分布通常是不均匀的.本文在有限元方法结合黏弹性局部人工边界的显式时域波动方法的基础上,建立了无限域散射问题地震波等效载荷计算的一种改进方法.该方法采用细化网格与应力积分相结合的方法计算人工边界等效节点力,有效地降低了人工边界上等效节点力的计算误差.以不同角度入射地震波的二维算例为例,算例给出的波场位移云图和节点位移时程曲线验证了本文方法的有效性,其计算精度与网格尺寸和地震波入射角度密切相关,且网格越小、入射角度越小,计算精度越高.对于相同的网格尺寸,本文采用方法的计算精度明显高于常规方法,尤其是对于斜入射问题优势更为明显.