船用三通调节阀流-固耦合噪声数值模拟

针对船用PN10DN32三通调节阀噪声声压频谱、声指向性等声学特性规律不明确,噪声声压级是否满足使用要求的问题,基于流-固耦合理论,同时考虑流-固耦合面及流体域内的脉动声学激励源,开展阀门噪声数值模拟研究。分别对三通调节阀在80%及60%开度阀外1 m处的噪声进行数值模拟,分析研究噪声声压频谱特性及声指向性规律。结果表明:80%及60%开度下的噪声声压级分别为49.14 dB(A)、50.79 dB(A),均小于60 dB(A)的噪声限制,满足使用要求。该文为船用三通调节阀噪声数值模拟提供了理论及方法参考。

华龙一号反应堆上腔室及热段流-热耦合场数值模拟

压水型反应堆(pressurized water reactor,PWR)系统主管道热段内冷却剂的温度和流量,直接反映了核功率和堆芯换热状态,是反应堆功率控制和安全保护的核心参数。为全面掌握华龙一号反应堆上腔室及热段内冷却剂流-热耦合场分布及演变规律,为核心参数测控提供参考,基于有限元分析(finite element method,FEA)方法,对上腔室及热段冷却剂流域进行了计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟。首先建立了合理简化后的华龙一号(Hualong One)反应堆上腔室及相连热段的3D几何结构模型。随后对模型计算域进行了离散化网格划分和网格敏感性分析。最后通过计算,获得了冷却剂非等温流动的稳态特性解,流量、温度与相关设计估算值、实际测量值的相对误差均小于2%。对稳态特性研究表明,高、低温冷却剂在上腔室垂直内壁附近的不充分换热导致热段入口冷却剂温度分布不均,存在14.0~16.3℃的温差。随冷却剂沿轴向流动,冷却剂温度场分布和流场分布均逐渐趋于均匀和稳定,且是热段内低温冷却剂的流动主导了冷却剂温度分布的变化。

基于流-热-固耦合分析的数值模拟及结构优化

为解决等径T型管路应力过大问题,提出一种基于流-热-固耦合分析方法的优化方法对等径T型管结构进行优化。首先,基于流、固力学理论建立T型管多场耦合的数学模型和物理模型,对T型管内流体的速度温度变化情况和管路的等效应力的分布情况进行仿真模拟,在仿真结果的基础上对管路进行结构优化。仿真结果表明:冷热流体的压力差会导致流体产生逆流现象,从而导致管路的上游区等效应力值增大。等径T型管的最大等效应力值出现在主支管交汇的下游内壁面处。优化后管路内壁面最大等效应力值下降约14%,可以有效地延长管路的使用寿命。该方法对提高气体管路设计的可靠性具有一定的实践意义。

基于连续逐层添加的金属增材制造热-力耦合行为数值模拟研究

金属增材制造是引领第三次工业技术革命的核心技术之一。然而,因过大的残余应力所引发的变形、开裂、抗腐蚀性能下降等问题仍然是阻碍金属增材制造发展的主要瓶颈之一。本文借助开源多物理场仿真平台Elmer,开展了基于连续逐层添加的金属增材制造热-力耦合行为数值模拟研究。其中,连续逐层添加是依据时间与单元位置等信息实时控制单元的激活状态得以实现,应力释放的预测是通过人为将基板的弹性模量设置为很小的值得以实现。针对激光能量输入与基板预热温度对金属增材制造热-力耦合行为的影响,发现随着激光能量输入逐渐降低或基板预热温度逐渐提高,制件的位移逐渐减小,制件的残余应力水平逐渐减弱;相比于激光能量输入,基板预热温度对金属增材制造热-力耦合行为的影响更大。

玻璃球宏细观冲击特性的SHPB试验和耦合数值模拟研究

为研究玻璃球的宏细观冲击特性,该文开展了不同相对密实度玻璃球的一维霍普金森杆(SHPB)冲击试验和离散元-有限差分法耦合数值模拟研究。结果表明:一维冲击荷载下玻璃球经历初始弹性、屈服、颗粒间互锁硬化和颗粒破碎硬化四个阶段。基于耦合数值模拟发现,颗粒平均配位数随着冲击荷载时程不断增加,但增加的速率逐渐下降,其原因是配位数变化取决于孔隙压缩和以旋转为主的颗粒重排,随着试样压缩变形的发展,孔隙压缩和颗粒重排需要克服更大的颗粒间互锁效应,因此逐渐变缓。而试样孔隙率在弹性阶段基本不变,在屈服阶段和互锁硬化阶段近似线性下降,其原因是孔隙率变化受控于颗粒整体移动,弹性阶段颗粒整体移动尚未发展,屈服之后颗粒整体移动产生的孔隙压缩随荷载时程呈线性发展。冲击荷载下,颗粒位移以整体移动为主,相对位移为辅,因此,颗粒位移对试样的初始密实度不敏感。颗粒旋转需要克服周围颗粒的互锁效应,互锁效应取决于试样级配和颗粒粒径,对密实度较敏感。

弯-剪-扭复合受力CFRP布加固RC梁抗扭性能细观数值分析

为了研究弯-剪-扭复合受力条件下碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)布加固钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)梁的抗扭性能,建立体现混凝土材料非均质性、钢筋-混凝土黏结滑移关系和CFRP布-混凝土相互作用关系的细观数值分析模型。由于缺乏CFRP布加固RC梁在弯-剪-扭复合受力作用下失效破坏的典型物理试验,采用复合对比验证法对数值模型的合理性进行验证,即分别与单独受剪、单独受扭以及受弯-扭复合作用下RC梁和CFRP布加固RC梁的试验结果进行对比验证。进而,基于建立的细观数值分析模型探究了配纤率和扭弯比对CFRP布加固RC梁在弯-剪-扭复合受力作用下抗扭力学性能的影响。结果表明:1)采用CFRP布加固能够显著提高RC梁的峰值扭矩;2)随配纤率增加,RC梁损伤分布范围逐渐变大,CFRP布应变逐渐减小,梁整体峰值扭矩增大,但其增大幅度减小;3)随扭弯比增加,RC梁裂缝分布愈加集中,裂缝与水平方向夹角逐渐减小,梁整体峰值扭矩增大,CFRP布应变减小。建立的考虑弯-剪-扭复合受力作用的数值模拟方法可为后续研究复杂应力状态下CFRP布加固RC梁尺寸效应行为等奠定基础。

混凝土劈裂抗拉试验的离散元数值模拟细观参数研究

基于颗粒流软件PFC^(3D)研究细观参数对混凝土劈裂抗拉试验应力-应变曲线的影响,为离散元数值模拟的细观参数标定提供理论依据。通过控制变量法,研究摩擦系数μ、平行黏结模型的有效模量E~*、黏聚力c、拉应力σ_c、摩擦角φ和法向阻尼率β_(n)等细观参数对混凝土劈拉试验的影响。研究结果表明:平行黏结模型的有效模量E~*对宏观弹性模量的影响显著。随着有效模量的增加,宏观弹性模量逐渐增大,有显著的线性关系;平行黏结模型的黏聚力c、拉应力σ_c和摩擦角φ决定了宏观材料的峰值强度。其中拉应力σ_c和摩擦角φ的影响较小,黏聚力c对峰值强度具有决定性作用。随着黏聚力c增大,峰值强度线性增加;摩擦系数μ和法向阻尼率β_(n)对应力-应变曲线的影响可忽略不计。研究成果对快速、合理的确定混凝土数值模拟中平行黏结模型细观参数标定具有参考价值。

基于渗流-温度双场耦合的油藏型储气库数值模拟

调峰保供是储气库的职能,建库指标的精确预测,事关新钻井数量和投资。复杂断块油藏改建储气库后,多周期高速注采过程均为油气水三相流动,油、气高压物性参数受温度影响极大,在进行复杂断块油藏型储气库数值模拟时,若忽略冷气注入温度场扰动和高速非达西附加压力损失,可能会导致储气库数值模拟指标预测精度降低。为提高指标预测精度,以复杂断块油藏型储气库为例,结合流体黏温及高速非达西实验,建立了渗流-温度双场耦合数学模型。基于有限体积法(FVM),在空间上采用两点通量近似方案(TPFA),在时间上采用后向(隐式)欧拉格式对模型进行离散求解。高精度拟合了衰竭开发阶段区块、单井物质平衡及压力,实例开展了储气库运行指标敏感性分析。结果表明:冷气注入温度场扰动、高速非达西效应分别是累产油、气量误差的主控因素;井控温度范围随注气速度增加呈对数上升,油气相渗流能力大幅下降时水相渗流能力反而上升,使得采出液量增多、地层压力下降;高速非达西附加压降造成天然气注入后部分采不出,随着储气库多周期运行,天然气储量及压力逐渐增加。

风化砂岩公路隧道渗流-应力耦合数值模拟

以江西省宜春市宜遂高速公路风化砂岩高且隧道工程为例,利用有限元分析软件Midas/GTS三维模拟了高且隧道的施工和开挖过程,将所得结果与现场监测数据进行比较,研究了渗流-应力耦合对隧道稳定性的影响,比较了耦合与非耦合条件下隧道稳定性的变化。结果表明,在渗流-应力作用下,隧道稳定性受到明显影响,渗流主要发生在隧道仰拱和边墙处,各施工阶段断面孔隙水压力在拱底处最大,在拱顶处最小;对比非耦合条件,在耦合条件下隧道拱顶、拱底和水平收敛值均有所增加,孔隙水压力对不同岩性的隧道拱顶沉降有很大影响。

搅拌针长度对铝-铜搭接搅拌摩擦焊影响机制的数值模拟研究

利用流体动力学的计算方法,分别建立了长度为2.4mm和2.8mm搅拌针的铝-铜异质材料搅拌摩擦搭接焊模型。基于VOF计算铝-铜两相分布的方法,定量分析了不同长度的搅拌针下两相材料流动和界面热-力耦合效应。通过界面摩擦切应力与热流通过搅拌头与工件接触界面的相对滑移状态计算,搭建了随材料流动状态变化的界面动态自适应热力模型。分析发现:增加搅拌针长度能有效强化两相材料的混合与搅拌区的塑性变形,焊缝后退侧的钩状组织更加尖锐。随着材料流动速度提升,界面摩擦切应力降低,进而引起界面摩擦产热和热流密度降低。但局部塑性流动的增强提升了塑性变形区域的黏性耗散产热和温度,且铝在垂直方向上的迁移更加剧烈,使铝-铜异质金属搭接界面的混合区扩大。此外,通过将仿真得到的焊缝横断面两相材料的界面分布与相关文献试验数据进行对比,验证了模型的准确性。

钢-聚丙烯混杂纤维超高性能混凝土受压细观数值模拟

为深入研究钢-聚丙烯混杂纤维超高性能混凝土(hybrid fiber reinforced ultra-high performance concrete,HFR-UHPC)受压力学性能及纤维增强机理,本文利用ABAQUS软件建立了HFR-UHPC三维细观数值模型,对其轴心受压过程进行了数值模拟。通过对比轴心受压试验结果,验证了模型的合理性。在此基础上,拓展分析纤维掺量、长径比等参数对超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)受压特性的影响,进一步分析压力作用下纤维增强机理。结果表明:随着钢纤维体积掺量增加,超高性能混凝土损伤发展变缓,单轴受压峰值强度略有提高,峰后延性明显增加;钢纤维长径比对超高性能混凝土受压应力-应变曲线的影响较小,但是更长的纤维更好地发挥了阻裂作用;在超高性能混凝土单轴受压过程中,钢纤维在峰值点前主要发挥骨架作用,在峰值点后主要发挥阻裂作用。

基于精细化数值模拟的EPS轻质土宏细观变形机理研究

EPS轻质土是双固相组分(水泥土与EPS颗粒)、具有特殊细观结构的混合土。当前对其宏观力学特性研究较多,而对细观力学响应规律研究甚少。为此,分别在Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager模型框架内,基于水泥土和EPS材料试验结果规律总结,发展了二者的简单实用本构模型;基于水泥土和EPS材料界面剪切试验,总结了界面剪切硬化/软化规律;对EPS轻质土三轴剪切试验进行精细化数值模拟,再现了EPS轻质土宏观应力-应变响应规律和试样变形模式。基于精细化模拟分析发现,EPS轻质土的整体剪切、局部鼓胀、整体均匀3种宏观变形模式是细观力学响应的结果,EPS颗粒与水泥土两种材料力学特性的差异引起试样内部应力、应变的非均匀分布,EPS颗粒的非均匀排列强化应力、应变非均匀分布程度,两种因素共同决定试样宏观变形的非均匀性。

大气总温传感器数值计算耦合分析技术

借助自研软件开发及现有的商业软件建立阻滞室大气总温传感器模型,用UG软件构建几何模型,以商用Fluent软件模拟传感器的三维CFD数值,采用共形网格划分实现大气总温传感器的流体与固体界面网格匹配。采用Realizable k-ε湍流模型以及数值仿真批处理脚本的方法,对大气总温传感器流、固耦合仿真进行计算,提高了仿真计算效率。利用该方法对常温常压风洞对大气总温传感器的校准进行仿真分析,得出常温常压条件下马赫数大于1时,恢复修正系数基本不随马赫数变化。在常温、马赫数为0.6条件下,在静压条件±0.1atm时或总温条件为-25~45℃时,恢复修正系数变化幅度很小,数值仿真结果具有一定的准确性。

水-空气耦合介质中冰载荷对闸墩的撞击影响研究

西北干寒地区长距离输水工程中河道修建的闸墩受到冰载荷撞击破坏,为确保冬季安全稳定供水,需进行冰载荷对闸墩撞击破坏力学特性研究。该文采用任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)流固耦合(fluid structure interaction, FSI)方法模拟不同碰撞工况下冰体楔入闸墩碰撞过程,并通过对比实验,验证了冰材料模型参数和ALE算法的适用性,分析了网格尺寸对撞击力的影响。研究结果表明:计算得到冰载荷对闸墩撞击力极值与实验值具有良好的吻合性,表明该模拟所采用的冰材料模型参数、ALE算法和网格尺寸能够较准确模拟冰载荷对闸墩的作用力;闸墩损伤变形与冰排破损主要集中在碰撞接触区,接触区撞击力大小受到“水垫效应”的影响,空气介质对撞击力影响较小;不同冰厚和冰速工况下撞击力时程曲线呈现“Sawtooth”(上下波动)现象,撞击力加载-卸载时间较短;冰排楔入闸墩的过程中,撞击力极值出现在0°正碰接触区,在冰速1.2 m/s~3.0 m/s范围内,撞击力逐渐减小,在不改变冰速工况下,随着冰厚的增加,墩体结构响应越大,冰速和冰厚两种影响工况下闸墩顶端位移均为周期性振动。其仿真结果拟为西北干寒地区冰期河道中墩体结构安全提供指导。

基于CEL方法的带结构物溃坝流数值模拟

随着全球气温的不断升高,极端天气现象增多,溃坝现象成为水工结构方向需要重点防范的自然灾害。溃坝流的发展会对下游结构物产生巨大的破坏作用,因此深入探究溃坝流现象的水动力学特性以及溃坝流下游结构物所受到的冲击力影响势在必行。本文针对带有结构物的溃坝流动问题现象,采用CEL方法(Coupled Eulerian-Lagrangian analysis,耦合欧拉-拉格朗日方法),对于溃坝流的发展、演化进行了数值模拟。研究结果表明,模拟结果中溃坝流自由表面及流体尖端时程变化与文献试验结果拟合较好,CEL方法可应用在溃坝流现象的模拟,并且具有较好的准确性和精度。结构物材料性能、高度及与结构物与溃坝流间的位置,均会影响溃坝流的运动状态以及结构物的受力变形状态,在不考虑结构物破坏的情况下,提高结构物弹性模量,增加结构物高度,以及减小结构物与溃坝流间的距离均可提高结构物对于溃坝流的阻挡作用。

预应力效应对中速磁浮线路简支梁车-桥耦合振动响应的影响

以长沙磁浮线路简支梁桥为研究对象,建立考虑不同预应力效应的磁浮线路简支梁桥车-桥耦合振动模型,分析预应力效应对中速磁浮线路车-桥耦合振动响应的影响。结果表明:预应力效应的变化对桥梁动力响应影响明显,预应力增加显著加剧桥梁竖向振动加速度,预应力由0.67P0(P0为张拉控制应力)增加到1.33P0时,桥梁跨中竖向最大加速度从0.21 m/s^(2)增至0.44 m/s^(2);车速增加会加剧预应力效应的影响,对桥梁竖向振动加速度的影响尤为明显,车速由20 km/h增加到200 km/h时,在1.00P0作用下,桥梁跨中竖向最大加速度从0.15 m/s^(2)增至0.76 m/s^(2);箱壁局部变形对车-桥耦合竖向振动响应有显著影响,预应力导致的箱壁局部变形不可忽略。

热管堆固态堆芯燃料辐照-热-力耦合性能分析

热管冷却反应堆(简称:热管堆)具有高可靠性和固有安全性、体积小、模块化和全固态堆芯等特点。固态堆芯燃料服役过程在高温、强辐照、固态约束多因素作用下堆芯的传热和力学性能受到严重影响,基体接触导致应力与间隙换热都随燃耗加深而发生较大非线性改变,且两者相互影响,因此基体在服役过程中的多物理场耦合的辐照-热-力行为复杂。本文基于有限元多物理场分析软件针对固态堆芯燃料开展辐照-热-力耦合分析,考虑UO2芯块与316不锈钢基体的辐照变形效应以及蠕变效应,并在固态堆芯间隙中引入间隙传热模型,探究固态堆芯寿期内间隙变化特点以及传热和力学耦合作用特性。结果显示:基体与燃料包壳的完全接触会导致芯块温度上升以及基体与包壳蠕变现象加强,燃料棒周围平均热管数量较少会导致附近区域较高的温度和应力分布,且寿期中该区域包壳因燃料棒内压和基体-包壳接触压力具有蠕变失效风险。分析结果表明间隙接触会对热管堆固态堆芯的传热和力学性能造成影响,甚至提高包壳的失效风险。

低渗透煤层气注热开采热-流-固耦合数学模型及数值模拟

为得到低渗透煤层气藏注热开采过程中煤层气渗流运移规律,探索原地煤层在注入蒸汽加热后对煤层气产量的影响,基于煤体渗透率、孔隙度随温度、应力,气体导热系数、杨氏模量、泊松比随温度变化的关系,综合运用渗流力学、岩石力学、传热学等相关理论,建立了低渗透煤层气注热开采过程煤层气渗流热-流-固多物理场耦合数学模型,采用多井开采方式进行了注热开采过程煤层气渗流规律的数值模拟。数值模拟结果表明:煤层注热10 d抽采100 d后,由于煤层的导热并伴有煤层气的对流传热,煤层平均传热速度为66.25 mm/h,注热开采造成储层压力降是无注热抽采压力降的2.45倍,在温度应力耦合作用下,煤层气注热抽采量是未注热抽采量的2.2倍,注热开采是低渗透煤层气增产的有效途径。

油井水力压裂流-固耦合非线性有限元数值模拟

基于多孔介质流-固耦合的控制方程,推导了相应的非线性增量有限元列式,并采用以节点位移和孔隙压力为自由度的黏结单元来模拟水力损伤造成的预设裂缝的起裂和扩展,在此基础上建立了油井水力压裂的有限元模型。在该模型中考虑了压裂液的黏性系数和支撑剂的体积浓度随时间变化,所有参数均采用现场压裂的数据。通过数值模拟,得到了缝口压力、射孔孔眼摩阻、沿程摩阻、井筒内液柱静水压力和地面井口压力随压裂时间的变化规律,并给出了"压裂作业三条线",模拟得到的"压裂作业三条线"与现场压裂实测结果吻合良好。

孔洞形状对层状岩石力学特性影响的FDEM数值模拟研究

为揭示孔洞形状对层状岩石力学性质和破坏模式的影响,采用有限元-离散元耦合数值模拟方法(FDEM)开展系列数值模拟研究。首先,阐述FDEM模拟层状岩石的基本原理,然后,开展不同层理倾角完整试样的单轴压缩模拟,并与试验结果进行对比验证。最后,对含有圆形、椭圆形、三角形、矩形和方形孔洞的层状岩石试样(β为0°、30°、45°、60°和90°)进行单轴压缩模拟研究。研究结果表明:对于不同孔洞形状的试样,抗压强度和试样破坏程度随层理倾角的增大呈V字型变化趋势,且均在层理倾角为0°时抗压强度取得最大值,在90°时破坏程度最为严重;孔洞的存在严重削弱了试样的力学性能,且削弱幅度与孔洞形状密切相关,其中方形和圆形孔洞对抗压强度的削弱能力最弱。将含不同形状孔洞试样的破坏模式随层理倾角的变化主要分为穿层理面拉剪混合破坏(β=0°)、沿层理面与穿层理面混合拉剪破坏(β=30°)、沿层理面剪切破坏(β=45°和60°)和沿层理面拉剪劈裂破坏(β=90°)。