基于任意拉格朗日-欧拉算法的气帘展开数值模拟

大多数气囊展开模拟采用均匀压力算法,为了更有效地模拟充气气体与袋体的相互作用,建立了基于任意拉格朗日-欧拉算法(ALE)的气帘仿真模型,详细介绍了ALE模型相关组成部件、参数设置和接触定义方法,并利用LS-DYNA软件对该模型进行了仿真验证,最后将所建的气帘ALE模型初步应用到某车侧面碰撞仿真中,以考察气帘对乘员的保护作用。

适用欧拉-拉格朗日方法模拟气液泡状流的气泡破碎模型

欧拉-拉格朗日方法已被广泛应用于模拟鼓泡塔等气-液反应器内的流型、气泡尺寸(或气含率)及其分布。文献中该方法主要基于临界Weber数观点来描述气泡破碎行为,且破碎后的子气泡尺寸由随机数确定。但现有实验和理论研究表明,临界Weber数约束不能体现气体密度等物性参数和泡内气体重分布对气泡破碎行为的影响。针对这些不足,提出了适用欧拉-拉格朗日框架且考虑泡内气体重分布贡献的气泡破碎机理模型,并利用开源软件OpenFOAM开发了基于新破碎模型的求解器。新模型预测结果能较好地吻合实验测量的时均轴向液速、气泡尺寸及其分布等实验数据。特别地,考虑泡内气体重分布现象的破碎机理模型成功预测了实验观测的气泡尺寸双峰分布特征。

基于任意拉格朗日欧拉方法的射流破土仿真分析

基于任意拉格朗日-欧拉方法对射流破土过程进行仿真分析。以琼州海峡黏土质砂为研究对象,选用MAT-FHWA-SOIL模型建立土体材料本构。运用LS_DYNA软件建立包括射流源、喷嘴、水域及土体的仿真模型,探究射流破土机理。并讨论射流关键参数对破土效果的影响,对射流压力、喷嘴直径、射流靶距进行单因素研究。研究发现在其他射流参数不变的情况下,射流压力增大1倍,最大冲坑深度也增大1倍;土体的冲蚀体积会随着射流压力的增大而增加,与射流时间近似呈线性关系;喷嘴直径从5 cm增大到9 cm时,最大冲坑深度增幅为43%。在20~60 cm之间的射流靶距对清理效果的影响较小。该研究可为海底电缆抢修的射流破土作业过程提供依据。

基于任意拉格朗日-欧拉法的盾构刀盘土体切削仿真

针对盾构刀盘切削土体的问题,提出了基于有限元和高性能计算方法的大规模数值模拟方法.建立了盾构和土体的三维分析模型,并且充分考虑到土体的材料非线性,利用动态显示算法进行了基于国产“曙光4000A”高性能计算机的大规模流固耦合分析.仿真采用任意拉格朗日-欧拉法(ALE),解决了土体大变形造成的有限元单元畸变问题,预测土体-刀具相互作用的过程;将修正的Drucker-Prager塑性土体模型作为土体的非线性有限元模型,其仿真方法和结果可以为未来盾构机的刀盘设计提供参考.

基于耦合欧拉- 拉格朗日算法的航行体缓冲头帽冲击性能

航行体在入水过程中会受到强烈的冲击载荷,过高的冲击载荷极易造成结构破坏和内部设备失灵,研究结构高速入水降载技术具有十分重要的意义。设计一种以预制裂纹碳纤维材料作为外罩、泡沫铝作为内部缓冲材料的缓冲头帽。基于有限元方法,采用耦合欧拉- 拉格朗日求解器研究缓冲头帽的降载效果,通过对比数值结果与小球入水实验图像验证数值方法的有效性。分析在不同入水速度和入水角度条件下,缓冲头帽的抗冲击性能、损伤模式以及空泡的发展过程。结果表明:缓冲头帽撞击水面后沿着预制裂纹破碎,泡沫铝压缩吸能;随着自由液面以下的空泡不断向外扩张,破碎的头帽贴着空泡内壁向四周散开;缓冲头帽对于不同入水速度和入水角度的航行体有着良好的降载效果,在最恶劣的垂直入水条件下降载率可达75%以上。

基于任意欧拉-拉格朗日有限元法的波浪和结构物相互作用数值模拟

应用任意拉格朗日-欧拉有限元法分析二维波浪和结构物相互作用问题,用分步有限元法求解自由表面边界的N-S方程以获得流场内的速度和压力分布,采用VRZ方法来吸收反射波.数值算例包括水池内初始自由表面波的自由振荡、水池造波、孤立波在台阶上的传播、孤立波和位于水面上的方形物作用以及半圆柱在自由表面的强迫震荡问题,部分计算结果和分析解、势流非线性解以及实验值作了对比.

一种基于任意拉格朗日-欧拉方法的降落伞充气展开数值模型

降落伞充气展开过程是一个典型时变非线性流构耦合问题,大多研究所建立的数值计算模型未考虑织物透气性和初始投放速度的影响。为修正模型,基于任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)方法和动网格技术,考虑织物透气性并预设初始投放速度,建立了降落伞充气展开的有限元模型。计算了充气过程中,有限质量情况下C-9伞的开伞力,并与实验数据对比,验证了该模型的正确性与合理性。随后分析了其开伞过程中伞衣应力分布特征与气动减速特性,为降落伞数值建模和结构设计提供一定参考。

用于任意拉格朗日欧拉有限元模拟的物理量重映算法

借鉴流体力学中的水波传播思想,将物理量重映作为对流问题处理,采用显式二阶Runge-Kutta间断迦辽金有限元法结合限制器的求解策略来实现物理量重映并加以求解.结果表明,该方法可以有效改善重映结果的耗散性以及局部振荡性,并提高ALE有限元法的求解精度.

过冷大水滴粒径分布的欧拉-拉格朗日混合抽样算法及对冰型影响

过冷大水滴(supercooled large droplet, SLD)云雾环境不同于常规粒径范围的过冷水滴,具有更大的粒径范围和复杂的水滴粒径分布形式,使得结冰的冰型异常复杂,从而给飞行器的飞行安全带来了前所未有的挑战。现有结冰数值模拟方法仅能模拟单一粒径的水滴,无法准确模拟真实SLD云雾环境“双峰分布”的粒径分布特性和相应的冰型。为了准确高效模拟SLD这种粒径分布特性,提出了一种基于Rosin-Rammler分布函数进行欧拉-拉格朗日混合抽样的水滴轨迹模拟算法。通过所提方法收集水滴,再利用结冰模型与水膜模型计算表面溢流传热和冰高,从而实现了准确高效的SLD粒径分布的结冰数值模拟,并通过2.5维算例研究了SLD粒径分布对机翼结冰的冰型特征以及冰型空间随机性的影响。结果表明:SLD的粒径分布对冰型有较大的影响,冰型特征和冰型随机性与中值体积直径(median volume diameter, MVD)和粒径分布方差紧密关联。

桶形基础液压下沉过程的耦合欧拉-拉格朗日有限元法分析

由于结构物贯入时网格变形过大而产生扭曲畸变等问题,常会造成岩土工程下沉贯入领域的数值分析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。传统的有限元模拟方法往往会出现收敛困难、作出不合理的假设以及需要依赖用户的专业网格重划分和插值程序等问题。耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)分析方法结合了拉格朗日网格与欧拉网格的优点,可以有效地解决有关大变形和材料破坏等诸多问题。通过位移控制法和力控制法两种下沉方式,进行桶形基础室内液压下沉模型试验,得出不同强度的黏土中桶形基础下沉阻力和下沉深度的关系及土塞高度。应用CEL有限元法进行模拟,计算结果与试验结果较为符合。采用的CEL有限元模拟方法不仅可对桶形基础自重下沉和液压下沉进行预测,也可为其他海洋基础结构的贯入模拟提供有益参考。

基于欧拉-拉格朗日方法的水下气体泄漏扩散行为研究

针对水下气体泄漏扩散问题,基于计算流体动力学(CFD)理论采用流体体积模型(VOF)与离散相模型(DPM)耦合的方法,对气体在水中的扩散过程进行模拟与分析,水和空气作为连续相,泄漏气体作为离散相,离散相粒子与水下气泡具有相同的物理性质,其密度变化服从理想气体状态方程。基于建立的数值模型,研究水下气体羽流的形成和发展过程以及在水面形成的涌流效应,评估气体上浮时间、水面气池尺寸和涌流高度等参数。研究表明:泄漏气体以喷射状涌入水中,上升过程中体积逐渐膨胀增大,运动至水面时形成倒立的锥形羽流结构;气体带动表层水运动,引起羽流两侧表层水回流,在水面产生涌流效应和圆形的气池;涌流高度逐渐增大后呈小幅波动状发展,气池半径逐渐增大后稳定。仿真结果与小尺度实验数据对比验证了数值模型的可行性。

基于修正剑桥模型的软黏土中沉桩过程欧拉-拉格朗日耦合模拟分析

利用CEL(Coupled Eulerian-Lagrangian)有限元大变形方法模拟了不排水条件下软黏土中沉桩施工对桩周土体的影响.利用有效应力的方法实现了修正剑桥(MCC)模型Vumat子程序中超孔压的计算,通过与室内土工试验(一维压缩试验和三轴试验)结果对比证明了子程序的可靠性.将修正剑桥模型的Vumat子程序嵌入到Abaqus/Explicit的CEL方法中用于软黏土中沉桩效应的模拟分析.对计算得到的桩周土体流动、水平位移、超孔压、水平应力的分析表明,所采用的考虑孔压的CEL数值分析方法可以较好地模拟软黏土非排水条件下沉桩效应问题.

阵性泥石流运动与堆积的欧拉-拉格朗日模型──Ⅱ.应用

采用文献［１］中提出的阵性泥石流运动与堆积的欧拉－拉格朗日模型，模拟了阵性泥石流的运 动过程和堆积形态，得出了与地学研究中观测结果较为一致的认识．文中针对影响阵性泥石流的关 键条件，重点通过改变密度、坡度和各阵泥石流的时间间隔等参数，分析了这些参数变化对泥石流 运动及堆积规律的影响，提出了简化分析整个阵性泥石流的条件。研究表明，应用经试验资料验证 的数学模型不但可以方便、快捷地定量描述阵性泥石流的一般特性，而且能够提供关于阵性泥石流 运动及堆积的更多细节。

海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉数值方法

综合考虑欧拉坐标下有限差分法(FDM)在海冰动力学计算中的效率,以及拉格朗日坐标下光滑质点流体动力学方法(SPH)对海冰流变行为的精确模拟,本文发展了一种海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉(HLE)数值方法。该方法首先在拉格朗日坐标下将海冰离散为若干个具有厚度、密集度的海冰质点,并由这些海冰质点通过Gauss函数对欧拉网格上的海冰参量进行积分插值;然后,在欧拉坐标下对海冰动量方程进行差分计算以确定各网格节点的海冰速度,并由此采用Gauss函数积分插值出拉格朗日坐标下各海冰质点的速度分布;最后,通过对海冰质点运动和分布的计算,确定出各海冰质点的位置、厚度和密集度等参量。采用该HLE方法对规则区域内的海冰堆积过程和涡动风场作用下的海冰动力演化趋势进行了数值试验;最后,采用该HLE方法对渤海海冰的动力过程进行了72 h数值模拟,其计算结果与卫星遥感图像和现场观测资料吻合较好。以上计算结果均表明该HLE方法在海冰动力学数值模拟中具有较高的计算效率和模拟精度,可用于海冰动力过程的数值模拟。

基于欧拉-拉格朗日模型的模块化多电平换流器的无源控制

为了均衡MMC各个子模块的电容电压,在采用载波移相调制方式的基础上,对传统的电容电压平衡方法进行了改进。通过在排序前依据桥臂电流方向引入不同的保持系数,使欲投入的子模块保持原来的状态,降低了开关器件的开关频率。对于MMC的控制,基于MMC两相旋转d-q坐标系的欧拉-拉格朗日EL数学模型和无源性,通过阻尼注入方法,提出了一种由状态期望稳定平衡点、状态及状态误差设计无源控制规律的新方法,并用该方法设计了无源控制器。该控制器可实现MMC-HVDC系统有功功率和无功功率的解耦控制,使MMC具有较好的动静态性能。最后在PSCAD/EMTDC中搭建了21电平MMC-HVDC系统的仿真模型,仿真结果表明,改进的电容电压平衡控制方法和无源控制器是有效的。

基于欧拉-拉格朗日方法的携病毒飞沫扩散过程的数值模拟

新型冠状病毒肺炎短时间内在全球范围迅速传播,已经成为受国际关注的大流行病。携病毒飞沫的传播和扩散过程是新型冠状病毒传播的重要途径。文章通过多相流仿真手段,基于欧拉-拉格朗日方法,对房间、电梯、高铁车厢和飞机座舱等相对封闭环境中携病毒飞沫扩散过程进行了数据模拟研究。结果表明,相对封闭空间中采用对侧面进风和出风的通风形式,尤其是上下通风的方式,可有效减少飞沫在封闭空间中的扰动和停留时间,抑制携病毒飞沫的扩散,增强飞沫的排出。

钻井船插桩对邻近桩影响的耦合欧拉-拉格朗日有限元方法研究

依据模拟钻井船在黏土层中插桩对邻近桩影响的离心模型试验结果,研究了通过耦合欧拉-拉格朗日（CEL）有限元计算并结合非线性地基梁有限元计算,分析钻井船插桩对邻近桩影响问题的可行性。CEL有限元方法将产生大变形的土体设为欧拉体,采用欧拉有限元方法计算该区域的变形响应,计算过程中,欧拉体的空间网格形状、大小位置保持不变,物质可在网格之间运动;其他土体设为拉格朗日体,采用拉格朗日有限元方法计算变形响应,计算过程中,物质的运动和网格的变形保持一致。运用罚函数方法实现欧拉体与拉格朗日体的耦合。通过CEL有限元计算,可以确定钻井船插桩导致的邻近桩桩身水平位移。进一步通过非线性地基梁有限元模型计算确定桩身弯矩。计算结果表明,利用CEL有限元方法并结合非线性地基梁有限元方法计算出的桩身位移和弯矩沿桩长的变化与离心模型试验结果基本一致。说明采用CEL有限元方法并结合非线性地基梁有限元方法分析黏土层中插桩对邻近桩的影响问题是可行的。CEL有限元模型中欧拉土体范围的设置对计算结果有明显影响。研究表明,若插桩深度小于0.75倍桩靴直径,可将欧拉土体范围设置成1.00~1.25倍桩靴直径;若插桩深度大于0.75倍桩靴直径,将欧拉土体范围取为插桩深度以下0.5倍桩靴直径是恰当的。

用任意拉格朗日欧拉法分析桥梁振动绕流问题

应用任意拉格朗日欧拉方法对具有典型流线型桥断面进行气弹性分析,得到升力系数以及力矩系数历程,然后用最小二乘法得到气动导数,计算气动导数与实验有较好的一致性,证明了该方法可以进行桥梁振动气动设计,为模拟流固耦合问题提供一个重要方法。

下沉过程耦合欧拉-拉格朗日有限元法分析

在进行基础或结构物下沉贯入的数值分析时,常会遇到接触的处理困难、网格大变形造成的扭曲畸变等问题,引起程序收敛困难、计算失真。应用何种数值分析方法,准确的模拟下沉过程结构物和土的相互作用,已成为此领域的一个重要课题。耦合的欧拉-拉格朗日方法结合了欧拉计算方法与拉格朗日计算方法的特点,通过固定的欧拉网格及可以在网格中运动的材料,可有效的处理网格畸变等大变形分析中存在的解法困难,其接触算法可得到基础或结构物准确的应力应变状态。通过砂土中桩的静压下沉、吸力锚的自重下沉和海底管线自沉分析三个应用实例,表明CEL有限元法可有效模拟大变形问题,所得的计算结果有较好的适用性。其分析方法和成果可为其它类型基础结构的下沉分析提供有益参考。

相容拉格朗日-欧拉法求解黏性流体中弹性圆柱壳的振动

采用相容拉格朗日-欧拉法,研究圆柱壳表面不间断振动时黏性流体的速度以及壳体的推进速度。根据黏性流体分子的黏附条件简化接触面条件,变形后的变量通过变形前各量的泰勒级数展开式近似表示。假设雷诺数Re<0.1,纳维-斯托克斯方程采用斯托克斯近似,考虑弹性圆柱壳表面发生横向振动与纵向振动。结果表明,弹性圆柱壳半径增大时,流体的速度趋近于薄板振动时的结果,纯横向振动时壳的位移方向与波的方向相反,纯纵向振动时二者方向相同,两种形式的振动均有,则方向可能相同,也可能相反。