强化工程案例教学,促进研究能力培养——以“MATLAB与化工数值计算”课程为例

为了更好地培养学生基于科学思维和工程实践的研究能力,以大量真实化工案例剖析为驱动,将工程案例教学法有机融入“MATLAB与化工数值计算”各个教学环节,通过工程案例教学架构设计、工程案例教学群组开发、工程案例教学方案实施以及工程案例教学考核评价等多种教学方式来不断强化学生利用先进技术方法和工具解决化学化工过程复杂工程问题的专业综合能力,有效助力我国能源化工行业“工业4.0”的升级与改造。

激光雷迪尔级帆船水动力特性试验与数值计算研究

采用试验观测和数值计算的方法研究了六自由度激光雷迪尔级帆船的水动力特性.设计了一套帆船六元力试验测量方法,通过拖曳水池试验获得帆船的水动力特性.采用雷诺时均计算方法和重叠网格技术,通过对试验和仿真的六元力结果进行对比,验证了数值计算方法的准确性.对不同航行姿态下的帆船水动力性能进行了模拟,分析了船体航速、迎角、侧倾角、漂角四个因素对帆船六元水动力的影响规律.研究结果表明:对纵向力影响权重较高的因子是航速和迎角,纵向力与航速呈非线性关系;对横向力影响较大的因子是漂角且两者呈线性关系;侧倾力矩主要受侧倾角和漂角的影响,随侧倾角的增加先减小后增大,在侧倾角为15°附近出现拐点;俯仰力矩受航速和迎角影响较大,随迎角的增大呈线性增大关系;转首力矩对漂角变化响应最大,随漂角增大线性增大.文中获得的六元水动力特性和数据可为提高帆船的操纵性提供重要数据支撑.

考虑啮合间隙的涡旋压缩机时变啮合刚度数值计算

刚度计算是动力学分析的基础,为了对涡旋压缩机进行系统动力学研究,计算其动、静涡旋齿的啮合刚度成为关键。将径向间隙引起的切向泄漏简化为气体在两平板间的流动,首先计算切向泄漏间隙的长度以及流经通道的气膜压力,然后由气膜压力求解切向泄漏气膜的承载力进而得出气膜刚度。应用有限元分析软件计算得出动、静涡旋齿在气体力作用下的变形量,根据弹性变形量求出动、静涡齿的刚度,得到涡旋压缩机运转过程中任意啮合点的时变啮合刚度随转角的变化情况。结果表明:涡旋齿的时变啮合刚度主要取决于切向泄漏气膜刚度,在一个压缩周期内,涡旋齿的时变啮合刚度随着主轴转角的增加而增大。

指向学科大概念的高中信息技术项目式学习——以《数值计算》一课为例

指向学科大概念的项目式学习,能够让学生明晰知识之间联系,从而建立完整的学科知识结构体系,将复杂的知识融会贯通。本文以《数值计算》一课为例,介绍以学科大概念为核心的信息技术教学项目式学习设计及实施过程,帮助学生建立知识和大概念之间的联系,在项目实践中渗透学科核心素养。

壁面粗糙度对隔离段气动性能影响的数值计算

针对粗糙度对隔离段性能影响,本文开展了不同粗糙度大小、不同粗糙度分布对相同背压下隔离段内激波串发展以及对隔离段出口气流参数影响的数值计算。隔离段进口马赫数2.0,总压0.82 MPa,总温840 K。研究结果表明:与光滑壁面相比,整体布置粗糙度时,边界层转捩提前,激波串起始位置向上游移动,隔离段出口气流参数下降;当粗糙带布置在50S时,随着粗糙度的增加,激波串起始位置后移;当粗糙带布置在70S时,随着粗糙度的增加,隔离段出口气流总压恢复系数升高。因此,合理布置粗糙度位置及大小能够使隔离段具有更优的性能。

螺旋桨水动力噪声数值计算方法研究

为了确立水动力噪声量化计算规程,对基于FW-H方程的声类比计算方法进行系统性研究。采用螺旋桨水动力性能EFD及CFD标模DTMB 4 119螺旋桨为研究对象,基于大涡模拟方法系统探讨了声类比计算收敛性相关问题,包括声学计算时间的影响分析、单个叶片声压与叶片总声压的关系、声压与流动压力比较等。研究表明,声学计算时间的长短对频率谱的分布有影响,但平均声压级几乎不受影响,误差不到1%;单个叶片的SPL几乎相等但声压存在相位差,总体SPL相比单个叶片有所降低;螺旋桨远场声压一般低于流动压力,近场螺旋桨域内则例外,呈现不收敛趋势。由此可见,将流动与声传播解耦的声类比方法对于近场声压求解有一定局限性。

基于差异冻结技术的深厚冲积层三维冻结温度场数值计算分析

为了探究人工地层冻结(artificial ground freezing, AGF)多圈管冻结壁温度场分布与发展规律,以淮北青东煤矿东风井为工程背景,利用现场实测数据和COMSOL Multiphysics软件建立三维冻结温度场数值计算模型,分析了立井井筒所在土层在差异冻结技术下的冻结温度场时空演化规律。研究结果表明:在对比分析中三圈管相较两圈管冻结扩展速度较快,相同的冻结时间下,冻结壁平均温度要低0.73~3.32℃·d^(-1),有效厚度增加0.38 m;砂土层相同冻结时间的条件下冻结壁平均温度要比黏土层低0.94~1.50℃,有效厚度增加0.21 m。冻结井筒计算范围内,径向温度场呈现出圈管之间温度低,圈管两侧温度较高的“马鞍型”分布;在土体深度方向,不同土性的土层温度梯度较为明显,具体表现为三圈管以及细砂层位温度更低,30 d左右Ⅱ层土体(三圈管砂土层)降温速率达到最大,约为1.12℃·d^(-1),首先完成土体降温阶段进入冻结壁交圈和拓展阶段,此时其他土层仍处于土体降温阶段。“长短腿”冻结管布置形式既可以提高井筒开挖的时间,缩短工期;又可以防止深部冻土入荒径过多,降低开挖难度,节约工程成本。采用差异冻结的方式,开机冻结30 d,去路盐水温度降至-30℃后维持该温度循环制冷盐水,使得该冻结工程取得了圆满成功。此研究可以为类似矿井冻结施工提供一定的参考。

小型堆核主泵内部流动特性数值计算

为研究不同工况下小型堆核主泵内部流动情况,采用计算流体动力学(CFD)数值模拟与试验相结合的方法,选取4种工况(0.6 Q d,0.8 Q d,1.0 Q d与1.2 Q d)进行内部流动特性分析,并选取具有典型意义的出口中心截面,以三维速度流线、速度分布云图、涡量分布云图等形式,对比考察了不同流量工况条件下泵内部流动规律及其变化趋势.通过分析叶轮与导叶之间的通道回转面压力、速度分布云图以及叶轮叶片与导叶叶片的叶片压力载荷曲线,解析了叶轮和导叶内部的流动分布和能量转换机制,从而为小型堆核主泵的水力优化设计提供直观认识.研究结果表明:在设计流量工况1.0 Q d下,小型堆核主泵内部流线平顺稳定,叶片工作面与背面压力载荷较稳定;在小流量工况0.6 Q d和0.8 Q d下,叶轮叶片上高压区增大;在大流量工况1.2 Q d运行时,泵内压力分布变化较大;试验结果与数值计算结果的一致性进一步验证了计算模型的准确性.研究结果不仅阐释了小型堆核主泵内部的流动特性,而且为小型堆核主泵的设计提供了一定的理论依据和应用指导.

基于固液两相耦合物质点法的饱和地基液化数值计算方法

为研究动力荷载作用下饱和地基液化问题,编制了可用于分析固液两相介质相互作用的三维显式物质点法程序MapleLeaf。首先,基于多孔介质理论,采用单点格式同时描述固液两相介质,推导u-p格式下固液两相耦合物质点算式;然后,通过静水压力柱三维模型及太沙基一维固结理论模型的数值解与理论解的对比分析,验证程序在固液两相静力条件下物质点法数值计算的可靠性;接着,增加动力算法模块,引入可用于分析动力条件下饱和土体液化问题的Cyclic Mobility本构模型;最后,分别基于现有文献及现场制备的振动台饱和地基模型,建立物质点数值模型,通过物质点法模型数值解与试验结果的对比分析,验证程序在动力条件下饱和地基液化问题分析的准确性。结果表明:基于物质点法的固液两相耦合数值计算方法能够较好反应动力条件下饱和地基液化前后超孔隙水压值的增长和消散的基本规律。编制的物质点法程序能够准确分析动力荷载作用下饱和地基液化问题。

排水刚性桩抗液化特性数值计算分析

为分析排水刚性桩的抗液化作用效果,开展了排水刚性桩的数值计算模拟,基于振动台试验实测结果验证了计算模型的可靠性,针对设置不同排水通道数量的排水桩桩周超孔压比、超孔隙水渗流特性等进行了计算分析。结果表明:①试验实测值与数值模拟结果吻合较好,证明了计算模型的可靠性和合理性;②桩身1倍桩径处超孔压比峰值为0.7,1.5倍桩径处为1.0,排水刚性桩的有效作用范围在桩周1倍桩径左右;③单侧排水通道排水桩影响范围为以桩心为圆心、1倍桩径为半径的近似半圆,双侧和四侧排水通道排水桩影响范围为与单侧排水通道圆心和半径相同的整圆,排水体附近渗流矢量均指向排水通道,表明了排水通道发挥了有效的排水作用。

M型超高速两栖车辆静水航行数值计算分析

两栖车辆的水动力构型研究正逐步由中低航速构型转向高航速构型设计。为解决两栖车高航速阻力大、兴波强烈等问题,提出M型超高速两栖车辆构型,并基于计算流体力学方法对该车型不同直航工况进行了数值分析。分析结果表明,该构型能够通过吸收首兴波提升车体整体水动升力并显著降低两栖车辆水上航行阻力,且通过合理的重心位置设计能达成较好的纵向稳定性。

基于Voronoi图的精细化PFC数值计算方法与应用

由于岩石细观结构决定宏观力学行为,离散元计算结果的准确性取决于数值模型对岩石复杂细观结构的表征程度。为提高离散元数值计算在采矿工程中的适用性,基于Voronoi图提出一种精细化PFC数值计算方法。Voronoi图剖分空间形成的凸多面体具有随机性和多样性,与岩石细观结构具有自相似性;将Voronoi图中点、线、面、体的编号与坐标数据导入PFC,借助PFC内嵌Fish语言将其转化为PFC可识别几何体,基于Voronoi单元提出2种不规则颗粒模型构建方法(VCPM和VBPM),分别模拟完整岩石和破碎岩石;采用Monte-Carlo方法生成服从Weibull分布的伪随机数,表征岩石细观力学参数,实现岩石非均质性模拟,将不规则颗粒周围接触数目定义为Coordination Number(CN),颗粒体积和颗粒CN分别服从Weibull分布和正态分布,实现岩石细观结构复杂性模拟;VCPM模型可准确模拟完整岩石在单轴和三轴抗压条件下的强度特征及峰前硬化、峰后软化、体积剪胀等行为,模拟所得岩石单轴抗压强度221 MPa,弹性模量64 GPa,内聚力和内摩擦角分别为34 MPa和55°,与实验数据具有较高的一致性;高内摩擦角表明VCPM模型内不规则颗粒间的剪切闭锁效应增强,且模拟结果可反映岩石破坏模式随围压增大由劈裂向剪切甚至塑性流动转变的现象;VBPM模型可准确模拟破碎岩石在侧限压缩实验中的压实和承载特征,初始加载阶段,破碎岩石中含大量孔隙,变形曲线斜率小,轴向载荷增加导致孔隙逐渐压实,变形曲线斜率快速升高,应力应变曲线模拟结果与实验结果吻合,由于VBPM模型不规则颗粒间的自由度差异明显,压缩过程中颗粒间的接触力呈现非均匀分布特征。

新工科视域下“工程有限元与数值计算”双语课程体系探索与实践

在新工科视域下,培养具有国际化视野的创新交叉型工科人才成为课程的重要目标。面向新工科人才的培养需求,“工程有限元与数值计算”课程的双语建设势在必行。西安交通大学持续开展课程双语建设,在分析教学难点的基础上,通过课程目标修订、教学内容改进及考核体系的完善,充分结合翻转课堂、教研融合型实验、前沿牵引的PBL项目式教学改革,提升了双语教学效果。提出的双语课程体系可作为工科专业课程双语改革的参考。

升富矿斜井冻结温度场数值计算分析

为探究升富矿斜井冻结温度场发展规律,预测确定明挖段开挖时间,基于冻结管实际成孔位置和传热相关理论,结合土体热物理学参数,利用COMSOL MultiphysicsR模拟软件对明挖段不同层位土体温度场发展进行分析。研究结果表明:冻结初期,中砂层温度下降速率较快且冻结壁交圈时间早于细砂层;冻结中期,中砂层位冻结壁发展优于细砂层,但到后期,两者冻结指标差值逐渐缩小;冻结60 d后,侧帮和底板冻结壁有效厚度和平均温度满足设计要求,为控制冻结成本,可以选择60 d后开挖进行井筒施工。

基于数值计算的公路桥梁可研评估研究

为提高公路桥梁的建设水平,以346国道随州市十岗至任家台段改建工程为研究对象,总结了桥梁结构安全影响因素,建立了跨径25mT梁、跨径30mT梁、跨径40mT梁、小箱梁、空心板梁的计算模型,分析了其在承载能力极限状态和正常使用极限状态下的受力、变形等。同时,还计算了不同铺装层厚度下的层间剪应力。经评估,桥梁设计方案均满足规范要求,可用于指导桥梁施工。

数值计算类课程实践教学模式的探索

大学数值计算类课程具有注重方法应用性、强调计算机实践的特点。然而,当前此类课程教学中普遍存在着班级规模大、实践学时缺乏以及实践质量难于控制等问题。本文通过设计层次化实践内容、开发数值计算实践软件、科学化考核方式等手段,引导大学生自主进行高层次的实践训练,有效解决了实践教学中存在的共性问题,形成了集“内容–考核”为一体的数值计算类课程实践教学模式。实践效果表明了该模式的实用性和先进性。The courses with the characteristics of numerical calculation pay more attention to the application of numerical approaches and emphasize to practice on computers. However, current teaching of such courses generally faces issues such as large class sizes, less practical teaching hours, and difficulties to measure teaching quality. This paper addresses the common problems in practical teaching by designing hierarchical practical content, developing numerical computation practice software, and scientific assessment methods. It guides college students to independently engage in advanced practical training, effectively resolving the common issues in practical teaching and forming a “content-quality” integrated practical teaching model for numerical computation courses. The reality shows the new teaching mode is more efficient and innovative.

波浪增阻数值计算在高速船舶船型设计中应用

高速船舶通过船型设计可以有效降低波浪增阻,从而实现海上快速救援的目的。本文研究波浪增阻的数值计算方法,包括势流二维切片法以及RANS/LES混合法,阐述2种计算方法的原理,对波浪增阻频率响应函数进行对比计算。以减小波浪增阻、提升稳定性为船型设计优化目标,使用势流二维切片法以及RANS/LES混合法对优化前后的波浪增阻进行计算,结果表明2种方法均可实现对波浪增阻的数值计算,RANS/LES混合法具有较高的计算精度,更适合于评估复杂的水动力性能。

喷射管形式对偏心射流反应器内部流动的数值计算

基于计算流体动力学(CFD)方法,探究了圆柱缩径型、非直三棱柱缩径型及圆柱缩径强化射流型三种喷射管在偏心射流反应器内的流场特征。获得了喷射管形式对喷嘴出口速度、喷射管内部流速及射流反应器内部流场的影响规律,为偏心射流反应器的开发、设计和优化提供一种新思路。

质点沿光滑半球下滑运动的数值计算

利用Matlab编程,求解质点沿光滑半球下滑时,半球的速度和加速度随时间变化以及质点相对球心的角速度和角加速度随时间的变化,并进一步讨论了不同的初始条件对质点在半球上的运动时间及质点与半球脱离位置的影响.

基于数值计算方法的寒冷地区纤维混凝土在地铁车站结构中的应用研究

在我国东北、内蒙古、西藏和青海等严寒地区,发展轨道交通事业,必然遇到纤维混凝土在寒冷地区地铁车站结构中的应用问题。为此,采用数值计算分析方法,建立了纤维混凝土数值计算本构模型,实现纤维混凝土力学性能的数值计算模拟,开展了纤维混凝土在地铁车站结构中的应用性分析,主要研究结论如下:(1)聚丙烯纤维的抗压性强于聚乙烯醇纤维,玄武岩纤维的抗冻性最差;随着纤维含量的增加,抗压强度逐渐降低;(2)纤维材料可以提高混凝土的力学性能,增强寒冷地区地下工程结构的稳定性。