离散梯度法在基于图像的计算生物力学中的应用1)

介绍一种可用于计算生物力学的离散梯度方法,此方法可利用离散的点云模型直接进行数值模拟分析而不需要传统的几何模型。将离散梯度法应用于点云模型需要首先确定模型中点之间的相邻关系和每个点所分配的材料体积,然后通过用广义的有限差分的形式定义了梯度插值向量,并以此向量来近似函数在每个离散点上的梯度。从弱形式出发,推导建立了适用于弹性固体大变形问题的求解器,并具有和有限元法中双线性四边形单元一致的准确性和收敛性。着重描述了一种可以从医学图像中快速提取材料点并建立点云模型的方法,以及利用三角划分和重心划分确定材料点之间的相邻关系和每个材料点体积的具体过程。通过腹主动脉瘤膨胀的静力学模拟分析,展示了离散梯度法的实用性和准确性。该算法实现了基于医学图像进行生物力学分析的过程自动化,为病体特异性的研究和治疗提供便利和实用的工具。     

岩土工程下沉贯入数值模拟方法研究进展

岩土工程下沉贯入领域的数值分析,由于结构物贯入时网格变形过大而产生扭曲畸变等问题,常会造成收敛困难甚至计算结果失真. 采用合适的数值方法分析此类问题颇具挑战性. 本文系统介绍了近年来对于岩土下沉贯入数值模拟的研究现状和发展动态,对各种数值模拟方法的相关原理、主要特征以及优缺点进行简要的探讨. 并简要介绍耦合的欧拉-拉格朗日(coupled Eulerian-Lagrangian, CEL) 有限元法的基本原理,通过不排水条件下的条形基础贯入问题和砂土中桩的静压下沉示例分析,表明CEL 有限元法在模拟岩土贯入问题时计算结果的准确性和较其他模拟方法的优势. 文中所阐述的岩土贯入分析数值模拟方法可供从事岩土贯入分析的相关学者借鉴参考.     

浅埋偏压连拱隧道现场监测与结构受力分析研究

针对浅埋偏压连拱隧道结构受力的复杂性,结合石红高速大中山1#连拱隧道的实际情况,选择典型断面埋设监控量测设备对隧道施工过程中围岩变形和结构受力进行适时监测,并结合有限元分析软件MIDAS,对中隔墙空间受力特征进行研究.得出了支护结构在偏压作用下和施工扰动下的受力状态和变形特征.结果表明,在浅埋偏压条件下,减少支护结构受力的不均对于保证隧道结构稳定的重要性以及运用监控量测与数值模拟相互印证的方法可以更准确地分析隧道结构的稳定性,更好地指导施工.     

高温高压气井连续管在CO2环境中的电化学腐蚀数值模拟

针对高温高压气井中连续管在含CO₂地层极易腐蚀、开裂等问题,调研了腐蚀失效情况,分析其腐蚀失效机理。应用COMSOL多物理场耦合分析方法,建立连续管在CO₂环境中的电化学腐蚀数值模型,分析环境因素对腐蚀速率的影响规律。结果表明:实验腐蚀速率和数值模拟腐蚀速率的最小误差为1.3%;CO₂分压分别为0.1、0.5和1.0 MPa时,连续管腐蚀速率达到峰值时的温度分别为120、90和60℃;当CO₂分压为0.1 MPa、电解质溶液电导率为2.86、pH值较小时,连续管的腐蚀速率最大。该研究为CO₂腐蚀环境下连续管的安全使用提供了建议。     

行星式MOCVD反应器进口结构对AlN生长的气相反应和生长速率的影响

针对行星式MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)反应器进口结构对AlN生长的化学反应路径和生长速率的影响进行数值模拟研究,通过改变反应器进口形式、数量以及隔板位置发现,二重进口反应器倒置进口(即Ⅲ族在下,Ⅴ族在上)时,衬底前端的含Al粒子浓度明显升高,尤其是MMAl的浓度比传统进口反应器高两个数量级,气相反应中热解路径占主导,薄膜生长速率明显提高。在倒置进口的基础上优化隔板位置,生长速率略微降低,但薄膜均匀性明显改善。当反应器进口数量从二重变为三重和五重,反应从热解路径占主导变为热解路径和加合路径共同作用,薄膜生长速率逐渐增加,而均匀性明显改善。     

单裂缝中携砂液流动规律研究

裂缝中携砂液流动是一种固液两相流,携砂液的运移与支撑剂的铺置是水力压裂裂缝保持导流能力的关键. 本文基于FLUENT 流体计算软件,采用双流体模型,将颗粒看作拟流体,携砂液按照牛顿流体处理,分析了支撑剂体积分数αs、阿基米德数Ar、颗粒雷诺数Re以及裂缝入口边界对流动规律的影响. 研究结果表明：携砂液在裂缝中的流动过程中,发展成为支撑剂体积分数不同的四个区域,包括砂堤区、颗粒悬浮区、颗粒滚流区和无砂区;支撑剂的沉降程度随着支撑剂体积分数和阿基米德数的增加而增加,而随着雷诺数增加而降低;入口为网眼型时,进入裂缝后过流面积的增加导致流速突降,使得支撑剂更容易在入口处产生堆积,在同一入口流速下,较均匀入口的工况铺砂高度大.     

无人机入水发射流场仿真及冲击特性分析

跨介质航行是近年来无人机应用领域的重要研究内容。本文通过数值模拟方法,对某型号飞翼式无人机在不同工况下发射入水过程流场演变及运动姿态进行对比分析,同时对其入水冲击响应进行了数值仿真研究,得到不同发射工况下无人机的入水冲击载荷响应情况。结果表明：该型号无人机入水过程的姿态变化同时受水面条件及发射工况影响,静水工况下以25°入水角、4 m/s的条件发射无人机入水时,可实现最优的姿态恢复时间及入水冲击载荷响应值。

     

数值仿真在岩石力学教学中的应用

岩石力学作为一个重要的力学分支,是土木工程、水利水电、采矿工程等应用型学科的重要基础。本文首先调研了岩石力学教学中存在的难点,分析了数值仿真技术在教学中的优势。随后,以岩石单轴压缩实验为例,采用图像采集与颗粒流模拟相结合的数值仿真技术,演示了岩石瞬态破坏过程,揭示了岩石在受到外力时的破坏方式和破坏机理。表明了数值仿真技术在岩石力学教学中具有“全尺度、全维度、全时程”等优点。展示了数值仿真技术在描述岩石破坏过程中形象、直观的教学效果。

     

管内充分发展流动与传热数值模拟的教学方法探讨

由于缺乏数值计算的基础理论知识,工科本科生在学习流体流动与传热过程的数值模拟方法并进行程序设计时,往往觉得难度较大。本文围绕圆管内不可压缩流体充分发展流动与传热,采用边界层积分法,推导出无量纲控制方程组;针对层流工况和湍流工况,开发出相应的数值方法。基于该方法的程序代码易于理解,且计算结果表明该方法具有预测精度高、收敛速度快的优点。本文的工作可以为计算流体力学、数值传热学及热工计算等系列课程的本科教学提供参考。

     

神光Ⅱ装置上辐射驱动瑞利-泰勒不稳定性实验

在神光Ⅱ装置上开展了辐射驱动RT不稳定性的一系列实验,获得了不同初始扰动幅度、不同扰动波长、不同材料样品等条件下辐射烧蚀RT不稳定性增长的高时空分辨背光图像,特别是在大初始扰动幅度样品实验中获得了扰动增长的清晰图像,观察到了扰动增长从线性区到非线性区的过渡过程,二次和三次谐波的产生和发展清楚可见。充实了数值模拟程序考核的实验数据库,对间接驱动ICF点火靶设计和研究具有重要作用。