流体与结构相互作用问题的FE-SPH耦合模拟

应用有限元(FE)-光滑粒子流体动力学(SPH)耦合法模拟了具有自由表面的不可压流体与结构的相互作用问题。流体和结构分别采用SPH法和有限元法同时求解,两者在交界面处的相互作用通过接触算法进行处理。为了避免隐式计算压力,通过引入人工压缩率,将不可压流体近似为人工可压缩流体。采用FE-SPH耦合法对弹性板在随时间变化的水压作用下的变形以及倒塌水柱冲击弹性结构两个问题进行了模拟。模拟结果与实验结果以及其他已有数值结果符合良好,说明FE-SPH耦合法用于流体与结构相互作用问题的模拟是可行和有效的。

土-结构-流体动力相互作用的实时耦联动力试验

针对振动台试验中无限地基难以模拟和数值分析中流-固耦合作用难以计算两个难题,将最近发展的实时耦联动力试验方法引入土-结构-流体动力相互作用问题的研究。以一个渡槽结构为例,其中渡槽-水体作为物理子结构,采用振动台进行物理试验,而无限地基作为数值子结构,采用集总参数模型进行数值模拟。两个子结构之间实时交换数据,联合评估整个耦合体系的动力响应。试验结果和有限元数值模拟结果吻合良好,表明该试验方法具有较高精度。对不同特性地基土进行的试验对比分析结果表明:对于软土地基,考虑土-结构相互作用(SSI)的结构反应幅值明显减小,周期延长;随着地基土变硬,SSI效应逐渐变弱,结构反应最终收敛至刚性地基解。

流体-结构相互作用下用微分求积法求弹性板上的动水压力场

采用微分求积法(DQ)在流体-结构相互作用(FSI)框架下求解原变量形式的Navier-Stokes(N-S)方程和板的弯曲振动方程,获取作用在弹性板上的动水压力场。分析对象是4块矩形板组成的箱型流道,其中两块为弹性薄板,另外两块为刚性板。为比较FSI对动水压力场的影响,数值结果给出了1.5 m×0.5 m×0.2 m流道、来流雷诺数分别为7 000和10 000、相应DQ网格为25×25×25和29×29×29考虑FSI与否的压力分布。数值计算结果表明,所建立的考虑FSI的DQ法数值求解原变量形式N-S方程和弹性板振动方程,获取弹性板上的动水压力场是可行的,FSI效应对动水压力场的影响是明显的。

非线性流体-刚体结构相互作用问题的一种数值模拟方法

给出了一种模拟非线性流体-刚体结构相互作用问题的数值方法.文中假定结构承受大的刚体运动,流体流动受非线性有粘或无粘的场方程支配并满足自由表面和两相耦合界面上的非线性边界条件,利用任意拉氏-欧氏(ALE)网格系统构造了数值模型.采用所探讨的多块数值格式,允许可动重造网格间有独立的相对运动,从而克服了流体网格与固体大运动匹配的困难.通过数值离散化,导出了描述非线性流固耦合动力学的数值方程并应用耦合迭代过程对其作了求解.通过算例,说明了所提出数值模型的应用.

流体结构相互作用

结构与流体相接触，无论是和自然流体接触还是和人造流体接触，都不可避免受到流体的作用，从而产生流致振动：不论从树叶到交通信号，再到坚固的结构，如桥面和热交换管都会出现流致振动现象。在确定的条件下，振动可能会自激（自激振动），这通常会产生不稳定的现象。了解这些不稳定性对于设计师和施工人员是非常重要的，因为它们有可能在很短的时间内导致巨大的破坏。流致不稳定性是本书研究的主要问题。

肾动脉变窄和流-固结构相互作用对非Newton脉动流的影响--一个真实的腹部主动脉和肾动脉模型

研究肾动脉狭窄(RAS)对血液流动和血管壁的影响.根据CT扫描图像,重建腹部主动脉和肾动脉的解剖模型,通过模型的脉动流进行了仿真计算,计算中考虑了流体-固体结构的相互作用(FSI).研究RAS对血管壁剪切应力和位移的影响,RAS使得肾动脉中流量减少,肾素-血管紧缩素系统可能被激活,从而导致严重的高血压.

瓦斯/煤尘爆炸冲击波作用下结构的动力响应探讨

总结了国内外瓦斯/煤尘爆炸事故特点,研究了当前形势下瓦斯/煤尘爆炸作用下的灾害作用特性,揭示了瓦斯煤尘单一相、两相共混爆炸的结构动力响应机理及爆炸冲击波与结构间的耦合作用,对比分析了当前国内外爆炸结构相应问题的研究现状,探讨了瓦斯煤尘爆炸防控设备及装置动态安全性的研究方法,提出了瓦斯煤尘爆炸作用下结构动力问题的研究展望。研究工作对于煤矿瓦斯/煤尘爆炸致灾防控具有一定指导意义。

振动边界耦合作用下基于微分求积法的三维不可压缩粘性流体的数值模拟

本文采用微分求积(DQ)法基于非交错网格建立在考虑流体 结构相互作用下求解三维不可压缩流体 Navier Stokes方程的数值方法。弹性振动边界为矩形薄板,诱发板振动的因素为作用在板上的脉动压力场,边界板的振动与流动形成耦合作用。数值结果给出了一箱形流道内雷诺数分别为 100,1000 和 10000 时的流场。大量分析表明,用本文方法模拟考虑流体 结构相互作用下的流动问题是可行的。

流体-结构相互作用中气动发散边界的区间分析方法

研究流体-结构相互作用问题中存在不确定性参数时的气动发散问题.使用区间变量描述不确定性参数,结合区间扩张理论和Taylor级数展开,提出了确定发散马赫数区间的非概率区间分析方法.该方法只需要知道不确定参数所在范围的界限,而不需要其他概率信息.以平板发散问题为例,将区间分析方法与概率方法的结果进行了比较,由非概率区间分析方法得到的发散马赫数区间比概率方法得到的要宽,由此可给出更为安全的设计信息,这表明区间分析方法是可行并有效的.

简单直管直接水击的液固耦合作用分析

以能量原理为基础,在考虑水体可压缩性和管壁弹性变形对水击运动影响的基础上,对简单直管内发生的水击波动与管壁结构相互作用问题进行了探讨,得到了水击波与管壁相互作用的能量公式。依据该公式,可对在FSI效应下简单直管内的直接水击压强进行计算。

流体-结构相互作用

无论是自然或人为的结构，在与流体流动相互作用时，不可避免地会引起振动：从植物的叶子到交通标志，以及更多工程结构，如大风中的桥梁和热交换器。在一定条件下，振动可能是自我激发的，通常将它视为一种流固系统。

船与桥墩相撞后的二维流体动力学数值模拟研究

将不可压缩Navier-Stokes方程与浸入边界法相结合,研究在流体中平面运动的物体(船)绕另一个静止物体(桥墩)的二维运动过程,分析船所受到的流体阻力、升力以及受流体作用后船的运动轨迹。结果表明在船绕着桥墩运动的初期,升力和阻力曲线出现有限振幅的起伏现象,不久,船的升力和阻力系数逐渐趋向稳定,做周期性小幅振荡。船的顺时针方向角速度受水流作用逐渐变小,然后变为逆时针方向。最后船的尾部远离桥墩,表明不会与桥墩二次碰撞。船的运行轨迹与实船实验的结果非常接近。

结构振动对湍流近尾迹的影响

研究了圆柱绕流中流体与结构的相互作用，侧重结构振动对湍流尾迹的影响。用激光测振仪测量圆柱在升力方向的位移；用热线和ＬＤＡ（二维）测量湍流的近尾迹。通过变化自由流的速度和圆柱体直径（特征尺寸）来变化雷诺数。用两个振动特性不同的（一个相对刚性，一个相对弹性）圆柱来产生尾迹，研究固体结构振动对湍流近尾迹的平均速度场和湍流场的影响。结果表明，结构自由振动对湍流近尾这场影响明显，该影响随雷诺数的变化不明显。

水下冲击载荷作用下复合材料圆柱壳的弹性响应

研究了平面阶跃冲击波作用下沉浸无限长复合材料圆柱壳的瞬态响应。首先推导基于Flugge薄壳理论的复合材料圆柱壳的控制运动方程,然后采用反射尾流虚源法建立流体-结构的相互作用,最后采用有限差分法来求解平面冲击波作用下无限长复合材料圆柱壳的控制运动微分方程。详细考察了复合材料纤维方向和壳的半径对复合材料圆柱壳的无因次中面应变、第0阶模态径向位移和第1阶模态径向速度的影响。

水下悬浮隧道的技术现状和未来展望

阐述了水下悬浮隧道(又称水下悬浮管桥)的概念;探讨了悬浮隧道结构的4种支撑形式,即岸锚式、桥墩支撑式、浮筒固定式和锚索固定式,并对4种支撑形式的适用性进行了对比;对悬浮隧道的跨海形式及主隧道结构断面形式进行了讨论,分析了多管系统+横通道连通形式在火灾及事故发生时的安全性。介绍了国际上悬浮隧道的相关标准:国际结构混凝土联合会(fib)在2020年发布了《水下悬浮管桥(SFTB)设计指南》(fib公告第96号),旨在为技术界提供水下悬浮管桥方案设计指南;国际隧道和地下空间协会(ITA)在2023年发布了《水下悬浮隧道(SFT)业主指南》,旨在向基础设施业主说明,水下悬浮隧道相比传统隧道的适用性;另外,挪威国家标准已率先将悬浮隧道结构纳入国家桥梁手册(2020)。梳理了悬浮隧道已有的理论研究,介绍了目前水下悬浮隧道比较热门的研究课题,比如流体-结构相互作用和冲击等。分析了水下悬浮隧道的优势,不仅能够减小主要的海洋荷载对结构的影响,而且可以降低隧道和相连结构的坡度,缩短穿越距离,保护海底地形以及减少对周围区域的噪声影响。随着人们对环境问题的日益重视,以及新材料和新技术为减少气候影响带来的机遇,悬浮隧道有望获得进一步的推广。

四角架筒型基础气浮过程中运动特性研究

以四角架筒型基础为研究对象,通过在静水及规则波作用下的模型试验对影响结构气浮过程中运动特性的因素进行分析。结果表明,结构摇荡运动的附加质量系数随吃水的增加呈下降趋势,都大于船舶动力学的建议值1.2;随着吃水的增加,垂荡运动呈先减小后增大的趋势,而纵摇运动呈减小的趋势;较浅水深增强了结构的竖向运动,垂荡和纵摇运动的最大幅值随水深的变化呈相反的变化趋势;四角架筒型基础结构在4.5 m吃水和12.5 m水深下的运动响应特性最佳。

船舶碰撞动力学过程的数值仿真研究

在分析显式非线性有限元基本理论和关键技术的基础上 ,探讨了船舶动力学过程的数值仿真方法 ,并对碰撞过程中船体的力学性能进行了分析 ,获得并讨论了碰撞力、能量吸收和损伤变形的时序结果 ,所得结论具有一般性。碰撞仿真分析中 ,被撞船的舷侧受撞区域和撞击船的首部区域作为可变形结构处理 ,而其余区域则视为刚体。被撞船周围的水划分成Euler有限体积网格 ,船体结构则划分成Lagrange有限元网格 ,并采用耦合技术将它们联系在一起。

三种介质耦联系统动力反应分析的显式有限元法及其应用

在笔者已建立的流体饱和多孔介质动力分析的显式有限元法的基础上 ,提出了可分析任意形状的流体饱和多孔介质 单相弹性固体介质 理想流体介质耦联的复杂系统的动力响应的显式有限元方法 .该方法建立的有限元方程列式具有解耦特征 ,不需求解联立方程组 ,因而极大地提高了计算效率 .将这一方法用于分析了考虑库水、坝、淤泥层和基岩这一复杂系统动力相互作用问题的斜坝面的地震响应 ,并给出了一些计算结果 .

开阔海洋环境中的鲍鱼潜式网箱系统的工程分析

在还未被利用的开阔海洋环境中开发鲍鱼养殖存在极大的可能性.鲍鱼是一种摄食巨藻的贝类.本研究对具有组装式框架结构的一个商业规模的鲍鱼潜式养殖网箱养成系统的开发进行了描述.使用计算流体力学软件分析了围养鲍鱼的结构物内的流场特性.使用一个模拟流体结构相互作用的Morison方程类的有限元模型,调研了锚碇的围闭结构的水动力响应.

浮式跨海大桥技术的研究进展

连岛跨海大桥是实现基础设施互联互通的关键工程之一,特别在宽广深邃的峡湾或海峡上建设跨海大桥将面临着巨大的挑战,采用浮式桥梁结构使得横跨这种峡湾或海峡成为可能。回顾浮式跨海大桥技术发展,总结了两种不同结构型式(离散型和连续型浮筒)的工作性能及两种支承方式(系泊于海底和端部支承)的工作特性,阐明现有浮桥模拟理论的局限性。提出需要建立黏性流体—多结构体—节间阻尼系统耦合的数学模型,探索流体—多结构体相互作用机理;提出了浮动结构的分析灵敏度矩阵中需要充分考虑黏性流体和结构的动力相互作用,探索多模态下模型的敏感性特征,建立一个充分考虑黏性流体和结构动力相互作用的浮桥结构的分析灵敏度矩阵,提高数值结果的置信度。最后提出了浮式跨海大桥技术研究中所要注意的一些问题。