基于FSI的4-方程模型的改进分析

传统水击理论所用的连续方程未能反映水击发生时管道内存在的液体压力波速、管道应力波速、流体波速,且进行了大量的简化却不能更好地反应管道系统的实际运动状态。本文主要基于现有的水击计算理论及其耦合理论,在考虑管道纵横两个方向都反映水击耦合特性的情况下,利用特征线法,求出耦合波速;并在推导新的连续方程时将求出的耦合波速替代推导传统4-方程模型的连续性微分方程时水击波速与流速的关系,得到新的连续方程;并忽略高次微量和压力梯度等对新的连续方程进行一定简化,与简化后的流体动量方程、管道运动方程和物理方程构成了改进的轴向4-方程模型。将改进模型求解出的耦合波速与经典模型的进行比较,结果表明两耦合波速相近,但改进模型在考虑管道纵横两个方向都反映水击耦合特性的因素后,理论上会更严瑾、更合理。     

黏弹性管道水柱分离弥合水锤有限体积法模型

基于有限体积法二阶Godunov求解格式对黏弹性输水管道中水柱分离弥合现象进行建模和模拟研究. 在传统的弹性管道模型基础上考虑管道黏弹性效应的影响. 在瞬变流控制方程中引入管道黏弹性项和动态摩阻项, 采用有限体积法进行求解, 考虑压力修正系数来模拟自由气体对计算单元的影响, 同时为避免数值模拟结果产生虚假震荡引入斜率限制器MINMOD函数; 通过虚拟单元法进行边界构建, 实现了计算区域的统一计算. 将所建模型计算结果与已有模型结果、试验结果进行对比, 并对影响模型的各参数进行敏感性分析. 结果表明, 本文模型能够准确模拟出纯水锤、水柱分离弥合水锤两种情况下的瞬态压力变化, 均能与试验数据高度吻合; 与传统的特征线方法相比, 当库朗数C_r小于1时, 有限体积法二阶Godunov格式计算结果更准确、稳定; 在压力波动的衰减过程中, 黏弹性效应相比于管道摩阻起主导作用; 与弹性管道模型相比, 考虑管道黏弹性效应后可显著提高模拟结果的准确性, 尤其是压力波峰值的相对误差明显降低.      

N-S方程基于投影法的特征线算子分裂有限元求解

提出了一种求解非定常不可压缩纳维-斯托克斯方程（N-S方程）的新型有限元法:基于投影法的特征线算子分裂有限元法.在每一个时间层上将N-S方程分裂成扩散项、对流项、压力修正项.对流项采用多步显式格式,且在每一个对流子时间步内采用更加精确的显式特征线-伽辽金法进行时间离散,空间离散采用标准伽辽金法.应用此算法对平面泊肃叶流、方腔流和圆柱绕流进行数值模拟,所得结果与基准解符合良好.尤其对于Re=10000的方腔流,给出了方腔中分离涡发展和运动的计算结果,并发现在该雷诺数下存在周期解,表明该算法能较好地模拟流体流动中的小尺度物理量以及流场中分离涡的运动.      

基于多块对接网格的隐式气体运动论统一算法应用研究

基于玻尔兹曼模型方程的气体运动论统一算法(gas kinetic unified algorithm,GKUA) 给出了一种能模拟从连续流到自由分子流跨流域空气动力学问题的途径. 该算法采用传统计算流体力学技术将分子运动和碰撞解耦处理,若采用显式格式将受格式稳定条件限制,在模拟超声速流动尤其是近连续流和连续流区的流动时计算效率较低. 为了提高计算效率,扩展其工程实用性,采用上下对称高斯-赛德尔(LU-SGS) 方法和有限体积法构造了求解玻尔兹曼模型方程的隐式方法,同时在物理空间采用能处理任意连接关系的多块对接网格技术. 通过模拟近连续过渡区并排圆柱绕流问题,计算结果与直接模拟蒙特卡洛方法模拟值吻合较好,验证了该方法用于跨流域空气动力计算的可靠性与可行性.      

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研究了埋置于弹性地基内充液压力管道中非线性波的传播. 假设管壁是线弹 性的,地基反力采用Winkler线性地基模型,管中流体为不可压缩理想流体. 假定系统初始 处于内压为$P_0$的静力平衡状态,动态的位移场及内压和流速的变化是叠加在静 力平衡状态上的扰动. 基于质量守恒和动量定理,建立了管壁和流体耦合作用的非 线性运动方程组; 进而用约化摄动法, 在长波近似情况下得到了KdV方程,表征 着系统有孤立波解.     

埋地管道的横向静力分析耦合模型及其解耦条件

现有埋地管道横向静力分析中的刚性管假设可以实现横向分析与纵向分析的解耦,但往往与实际情况不符.为此,本文根据埋地管道的受力特点,建立了考虑纵向内力影响的横向静力分析耦合模型.基于此耦合模型,结合挠曲线方程与纵向内力的关系,推导出横向分析和纵向分析的解耦条件,为建立解耦模型提供了理论基础.与此同时,一方面为便于实用,另一方面为检验解耦模型的误差,文中针对圆环形管道导出了其横截面剪应力分布规律,给出了埋地管道横向静力分析的实用耦合模型,并结合弹性中心法,建议和提出了耦合模型的实现算法.最后,采用耦合模型对两端固定的埋地给水管道进行了横向内力分析及解耦模型的误差探讨.结果表明,管道两端处纵向剪力对横向内力影响显著,解耦模型误差很大;但随着与管端距离的增加纵向剪力的影响急剧减小,近跨中区域解耦误差几乎可忽略不计.     

NUMERICAL SIMULATION FOR NAVIER-STOKES EQUATIONS BY PROJECTION/CHARACTERISTIC-BASED OPERATOR-SPLITTING FINITE ELEMENT METHOD

提出了一种求解非定常不可压缩纳维-斯托克斯方程（N-S方程）的新型有限元法：基于投影法的特征线算子分裂有限元法.在每一个时间层上将N-S方程分裂成扩散项、对流项、压力修正项.对流项采用多步显式格式,且在每一个对流子时间步内采用更加精确的显式特征线-伽辽金法进行时间离散,空间离散采用标准伽辽金法.应用此算法对平面泊肃叶流、方腔流和圆柱绕流进行数值模拟,所得结果与基准解符合良好.尤其对于Re=10000的方腔流,给出了方腔中分离涡发展和运动的计算结果,并发现在该雷诺数下存在周期解,表明该算法能较好地模拟流体流动中的小尺度物理量以及流场中分离涡的运动.     

基于无网格局部Petrov-Galerkin(MLPG)法求解任意磁场方向下的定常MHD流动

磁流体流动在现代工业和科研中有着广泛的应用,但磁流体的流动受到磁场的影响,与一般流体区别较大,需要对其进行深入的研究。磁流体的流动受到流体力学流动方程和麦克斯韦方程的共同影响,其精确解在有限条件下才能得到,因此对磁流体的流动进行数值模拟具有重要的意义。本文采用移动最小二乘法计算形函数,利用无网格局部Petrov-Galerkin(MLPG)法得到控制方程的离散形式,在管壁为任意电导率及任意方向外加磁场的条件下,对方形直管道中定常流动的磁流体进行了数值计算。MLPG法的计算是基于节点的,不需要任何网格或单元,是一种真正的无网格方法。计算结果与Scheriff精确解进行了比较,表明该方法适用于中等以下哈特曼数的磁流体流动计算。     

非结构网格热化学非平衡辐射流场数值计算

针对三维热化学非平衡辐射流场设计了基于非结构网格的数值计算方法. 根据原子分子光谱理论逐条计算了100$\sim$1\,500\,nm间N, O, N$^{ + }$, O$^{ + }$的谱线以及N计算流体力学; 辐射; 热化学非平衡; 非结构网格; 有限体积法针对三维热化学非平衡辐射流场设计了基于非结构网格的数值计算方法.根据原子分子光谱理论逐条计算了100～1 500nm间N,O,N+,O+的谱线以及N2,O2,NO,N+2等分子的10个谱带,特别分析了NO的β'带,γ'带,δ带和ε带的辐射特性.采用耦合辐射的双温模型计算热化学非平衡流场,辐射源项通过直接求解辐射输运方程RTE(radiative transport equation)获得.在空间和方向上分别离散后,利用有限体积法求解不同方向上的辐射输运方程.计算得出了再入飞行器前驻点的辐射强度分布.采用该数值方法计算了MUSES-C模型在速度为11.6km/s时的绕流流场及前驻点处的辐射热流密度.并通过对比分析了热辐射对流场的影响.     

线弹簧模型法在含表面裂纹球壳中的应用

本文应用线弹簧模型法,基于Sih.G.C.含二维裂纹球壳理论建立了含表面裂纹球壳的控制方程,采用数值方法选取位移试函数及合理地处理了对偶奇异积分方程使计算大为简化,通过电算实现了计算求解过程,从而获得了球壳表面裂纹前沿各点的应力强度因子之值。 最后将计算结果与考虑“膨胀效应”后的Ncwoun-Raju 解进行了比较,同时研究了曲率因素对表面裂纹线弹性断裂性态的影响。