一维孔隙率浅水方程及其数值离散

通过孔隙率方法来描述挡水物对过水能力的影响建立了一维孔隙率浅水方程. 采用有限体积方法和Roe格式的近似Riemann解建立了孔隙率浅水方程的离散模式. 对底坡和孔隙率源项采用特性方向分解的方法进行处理,使模型精确满足C(Conservative)特性,增加了模型的稳定性. 通过算例模拟证明了模型可以对河道中的挡水物作用进行模拟,且计算结果表明模型具有和谐、稳定、分辨率高等优点.      

滚波演化中聚合过程的数值模拟研究

滚波是一种重力作用下自由液面失稳诱发的水面波动现象, 通常可分为具有相对稳定波形和波速的周期性滚波与波形和波速不断变化的不规则滚波(自然滚波). 不规则滚波的相互作用和发展演化过程十分复杂, 至今对其认识尚不成熟. 本文采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的立面二维数值模型, 对不规则滚波发展过程中的吸收聚合和追赶聚合现象进行了数值模拟研究. 分析了两种聚合模式的演化过程, 给出了滚波聚合过程中完整的波形、波速、速度剖面以及湍流黏性等重要信息. 结果表明滚波的聚合过程是不规则滚波演化和增长的重要机制, 在特定条件下滚波增长由自然增长模式转变为以吸收聚合和追赶聚合为主的增长模式. 滚波聚合过程中, 依次经历后波追赶、爬升、与前波合并、内部流场调制等多个步骤, 最终形成一个具有更大波长和波高的滚波. 本文发现了在3个滚波间距较近的情况下, 会发生二重聚合现象, 即后两个滚波首先聚合, 然后与前波进一步聚合形成一个新的滚波.      

基于有限体积法的三维局部冲刷数值模型研究及应用

局部冲刷的三维数值模拟可预测水力冲刷的破坏程度和破坏机制,进而提供更加合理的工程措施以减轻或避免局部冲刷造成的工程破坏。基于有限体积法和非结构化的计算网格构建了以水动力学模型、泥沙冲淤和河床变形方程为基础的三维局部冲刷数值模型。水动力学模型中的湍流模型为剪切应力SST k-ω输运模型,泥沙冲淤以底床切应力大小和分布为基础,水沙模型的耦合采用单向弱耦合方式。首先,通过ANSYS-FLUENT软件数值计算水动力学模型后,将水力特性数据单向传递至泥沙模块,并应用UDF函数二次开发实现泥沙模型的数值计算。利用动网格技术重构因河床地形更新引起的变形网格。与动床圆柱冲刷和丁坝局部冲刷的试验结果进行比较,验证了局部冲刷数值模型的可靠性。从平衡冲深时的冲刷深度和冲坑内水流特性等结果的对比可以看出,该数值模型成功地模拟出最终冲刷地形和形态,并能捕捉不同时刻的三维地形变化。根据数值模型的建立及应用结果分析主要得到以下结论,以切应力观点为基础开发该模型时,具有简易性和较强的可靠性;单元体泥沙通量的重构和床面坡度等因素均影响模型的精度;FLUENT软件提供的动网格技术能较好重构小变形网格,但是重构因地形变化引起的大变形网格时略显不足。     

脑Willis环的一维血流动力学及氧输运特性的数值研究

Willis环是大脑侧枝循环的重要组成部分, 研究其血流动力学特性以及氧输运规律对脑缺血疾病的认知和预防有着非常重要的作用. 该文旨在利用一维血流动力学模型模拟整个Willis环的流量变化和压力分布, 并建立动脉内氧输运的一维模型以模拟Willis 环内氧分压的变化规律, 为研究脑组织内血液流动和氧输运打下基础. 首先, 基于弹性圆管内的一维非线性流动方程和状态方程建立血流动力学模型, 在一维对流扩散方程的基础上, 考虑由管腔向壁面的扩散和壁面细胞的新陈代谢消耗推导出氧输运特性方程. 通过 Lax-Wendroff两步法对血流动力学方程进行离散, 而在进行对流扩散方程的离散时, 则运用迎风格式. 通过数值计算得到了正常情况下Willis环各个血管任意位置的流量、压力和氧分压的变化曲线, 正常情况下各个位置的氧分压处于稳定的平衡状态. 最后, 还通过此模型进一步模拟了右侧颈内动脉狭窄对各个血管内流动的影响. 当狭窄程度达到80%时, 中脑动脉的流量和压力会明显下降, 造成其供应区域的血流减少. 同时, Willis环右侧血管内的氧分压会大大降低, 而左侧血管的氧分压会出现上升趋势, 但幅度要小于右侧血管降低的幅度.     

张拉整体结构的动力学等效建模与实验验证

为了实现张拉整体结构高效动力学计算, 并考虑其大范围运动中柔性杆局部动态屈曲, 提出了一种受压细长杆动力学降阶模型, 采用五节点弹/扭簧集中质量离散模型等效连续杆的静力学和动力学特性. 首先, 通过静力学等效分析推导了弹簧拉压刚度和扭簧弯曲刚度表达式, 可准确预测杆件受压屈曲和近似预测其后屈曲行为. 第二, 通过动能等效分析推导了集中质量表达式, 可准确预测杆在线速度场下的运动. 第三, 通过弯曲振动固有模态等效分析确定弯曲刚度和节点质量的分布参数, 合适的分布参数取值组合可将降阶模型前两阶固有频率相对误差均降低至1%以内. 第四, 在全局坐标系下建立张拉整体结构瞬态动力学方程, 并利用静力凝聚法实现方程高效迭代求解. 最后, 分别对球形张拉整体结构准静态压缩、模态分析和碰撞动力学进行仿真和实验对比分析, 证明了提出的动力学降阶模型可有效预测张拉整体结构的静力学行为、固有振动特性及瞬态动力学响应, 并分析了结构参数变化对其力学特性的影响规律. 本文提出的动力学等效建模与计算方法, 可望用于软着陆行星探测器、大型可展开空间结构及点阵材料等复杂张拉整体系统的动力学分析与控制.      

作平面运动柔性梁的热效应研究

本文研究受热载荷作用时作平面运动柔性梁的建模理论.从温度的泰勒展开式出发,建立了一维有限元离散的温度与变形相互耦合的热传导方程和柔性梁的动力学方程.将本文一维有限元方法的计算结果与Ansys二维有限元方法进行比较,研究表明在保留泰勒展开式高次项的情况下,本文一维有限元方法具有精度高和计算效率高的特点.在此基础上,进一步研究了热传导方程的变形速度的耦合项,温度变化引起的弹性模量变化和平面转动对温度、弹性变形和轴向应力的影响.     

坡面流运动方程和有支流入汇时的一维明渠流方程形式

从带源项的圣维南方程出发,根据坡面流特点,分析给出了坡面水流运动方程的基本形式,通过基本的力学分析,指出了通常应用于有支流放汇时的一维明渠流方程存在的问题,并得到了新的方程形式。     

基于辛Runge-Kutta方法的棋盘形褶皱二维薄膜-基底结构动力学特性研究

基于力学屈曲原理的褶皱薄膜-基底结构已成功应用于制备可延展无机电子器件。然而,该类电子器件在应用时需要服役于复杂动态环境中,针对棋盘形褶皱薄膜结构的动力学问题鲜有研究,此问题又是该类电子器件走向实际应用需要解决的关键问题之一。本文首先采用能量方法,分别计算了二维薄膜的弯曲能、膜弹性能和柔性基底中的弹性能以及薄膜动能;然后采用拉格朗日方程,推导出了该结构的振动控制方程;而该方程为非线性动力学方程,无法给出其解析解;因此,本文采用辛Runge-Kutta方法对其进行数值求解;数值结果表明,辛数值方法具有长期稳定的特性和系统结构特性,为高精度的可延展电子器件的动力学问题研究提供了优异的数值方法。     

二维系统传递矩阵法

以薄板横向振动的振动特性问题为例提出了二维系统传递矩阵法. 从质点和无质量梁的传递 矩阵出发,建立了按列排列的薄板子结构的传递矩阵. 用二维系统传递矩阵法获得了整个板 的总体传递方程,从而可得到板在任意一种边界条件下的特征方程. 数值求解了两种情况下 薄板横向振动的固有振动特性. 计算结果表明,用该方法可用于研究类似薄板的二维系统的 动力学问题,且无需建立系统的总体动力学方程.     

含间隙铰接的柔性航天器刚柔耦合动力学与控制研究

大型柔性航天器展开锁定后,运动副中仍存在大量无法消除的间隙. 铰链间隙直接影响柔性航天器的姿态 运动和有效载荷的指向精度及稳定度,会对航天器的动力学特性造成较大的影响. 针对这一问题, 提出一种含间隙铰 接的航天器刚柔耦合动力学建模与控制方法. 首先建立含间隙的铰链精确动力学模型,从而构建含间隙铰接的柔性结构 动力学模型. 然后利用哈密顿原理和模态离散方法,建立含间隙铰接柔性航天器离散形式的刚柔耦合非线性动力学 模型,采用 Newmark 算法对非线性动力学方程进行求解. 基于压电纤维复合材料 (macro fiber composite, MFC) 驱动器 构建航天器的刚-柔-电耦合动力学方程,采用最优控制设计控制律. 分析了铰链参数、中心刚体转动惯量、间隙尺寸和间隙数目对航天器动力学特性的影响,着重研究了铰链间隙对航天器姿态运动和结构振动的影响作用. 最后采用 MFC 驱动器对航天器施加主动控制. 结果表明,铰链参数和中心刚体转动惯量影响航天器的固有频率;随着铰链间隙尺寸的增大及间隙数目的增多,航天器的整体刚度逐渐减小,而航天器的姿态角和振动位移响应不断增大;通过基于 MFC 的主动控制,能够实现含间隙铰接航天器姿态运动与结构振动的协同控制,并缓解间隙对系统动态特性造成的影响.      

Interactions between pairs of oblique waves in a Bickley jet

We consider the weakly nonlinear spatial evolution of a pair of varicose oblique waves and a pair of sinuous oblique waves superimposed on an inviscid Bickley jet, with each wave being slightly amplified on a linear basis. The two pairs are assumed to both be inclined at the same angle to the plane of the jet. A nonlinear critical layer analysis is employed to derive equations governing the evolution of the instability wave amplitudes, which contain a coupling between the modes. These equations are discussed and solved numerically, and it is shown that, as in related work for other flows, these equations may develop a singularity at a finite distance downstream.     

Non-linear wave modulation in a prestressed viscoelastic thin tube filled with an inviscid fluid

In the present work, the propagation of weakly non-linear waves in a prestressed thin viscoelastic tube filled with an incompressible inviscid fluid is studied. Considering that the arteries are initially subjected to a large static transmural pressure P₀ and an axial stretch λ_z and, in the course of blood flow, a finite time-dependent displacement is added to this initial field, the governing non-linear equation of motion in the radial direction is obtained. Using the reductive perturbation technique, the propagation of weakly non-linear, dispersive and dissipative waves is examined and the evolution equations are obtained. Utilizing the same set of governing equations the amplitude modulation of weakly non-linear and dissipative but strongly dispersive waves is examined. The localized travelling wave solution to these field equations are also given.     

Roll waves structure in two-layer Hele–Shaw flows

The mathematical model of inhomogeneous fluid motion in a Hele–Shaw cell is proposed. Based on this model the equations for describing two-layer flows and development of roll waves at the interface are derived. Conditions of roll waves existence are formulated in terms of Whitham criterion. Numerical calculations of the interface position are provided. It is shown that small perturbations of the interface in the inlet section of the channel lead to the roll waves for certain parameters of the flow. Two-parametric class of exact solutions corresponding to the roll waves regime is obtained. Diagrams of critical depths of roll waves development are constructed.     

Wave fronts in elastic media with temperature dependent properties

This paper deals with the propagation of shock and acceleration wave fronts in elastic media with temperature dependent properties. The partial differential equations governing the evolution of such waves are derived and solved using the method of Charpit. Solutions for wave front propagation in a thermoelastic layer with exponentially temperature dependent properties are obtained.     

Localization of two-dimensional non-linear strain waves in a plate

The influence of an external medium on the evolution of two-dimensional long non-linear strain waves in an elastic plate is studied. The governing non-linear equations for longitudinal and shear waves are obtained. A threshold value of the external medium parameter is found that separates the existence of either one-dimensional (or plane) localized strain wave or two-dimensional localized strain wave. A considerable increase in the amplitude of the wave is found during the formation of the two-dimensional localized strain wave from an arbitrary initial pulse.     

The numerical study of roll‐waves in inclined open channels and solitary wave run‐up

In this paper, we introduce a finite‐volume kinetic BGK scheme and its applications to the study of roll and solitary waves. The current scheme is based on the numerical solution of the gas‐kinetic Bhatnagar–Gross–Krook model in the flux evaluation across each cell interface. An intrinsic connection between the BGK model and time‐dependent, non‐linear, non‐homogeneous shallow‐water equations enables us to solve shallow‐water equations automatically with our kinetic scheme. The analytical solution, experimental measurements, and numerical calculations for problems associated with roll‐waves down an inclined open channel and solitary waves incident on a sloped beach are also presented. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

三维扰动波的非平行边界层稳定性研究

导出了三维扰动波的原始变量形式的抛物化稳定性方程（PSE）,研究了三维空间模态TS波的非平行边界层稳定性问题.采用了法向四阶紧致格式,以提高计算精度.通过给出不会导致奇性的坐标变换、修改外边界条件以及克服平行流初始值的瞬态影响和推进步长的限制,保证了计算的数值稳定.用补全元素带状矩阵法求解块三对角矩阵,大大提高了速度.计算结果清楚地显示了三维扰动波的演化过程和非平行性对边界层稳定性的影响,特别是,观察到非平行性对三维扰动波的影响,有时会使其稳定性出现逆转的现象.还研究了逆压梯度的作用.算例的结果与其他结果符合良好.     

Multi-shock structure of roll wavesStructure multi-chocs d'ondes à rouleaux

The special class of periodic travelling waves which is known as roll waves is investigated for nonhomogeneous hyperbolic equations of gas dynamics type. In this Note these equations are applied to shallow water flows in inclined open channels, but the results obtained are more general and far-reaching. The necessary conditions for the existence of a roll wave are derived. It is shown that for a nonconvex pressure term, multi-shock configurations of roll waves of finite amplitude exist. A new type of periodic travelling wave, which corresponds to the slug flow regime in two-layer flows, is found. To cite this article: A. Boudlal, V.Yu. Liapidevskii, C. R. Mecanique 332 (2004).     

孤立波与多孔介质结构物的非线性相互作用

基于精确至Ｏ（εμ＾２,μ＾４）的多孔介质无压渗流模型方程和均匀流体质波动的Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程,本文对孤立波与多孔介质结构物的相互作用了较系统的数值实验。控制方程采用基于有限差分方程离散,在时域上采用了预估－校正方法进行了时间积分。在求解演化方程的过程中,引入“内迭代”过程实现流体域和多孔介质交界面的连接条件。结果表明孤立波在多孔介质上的反射与在不可渗透的界面上的反射类似,形成反向的孤立波但