快速多极展开算法在自由尾迹分析中的应用

针对旋翼自由尾迹分析的计算效率问题,对快速多极展开算法(Fast multipole method,FMM)在基于直线涡元的尾迹互诱导速度计算中的应用开展了研究。分别构建了悬停和前飞状态下诱导速度多极展开计算的定义域;在进行远场诱导速度计算时,将直线涡元等效为涡粒,推导了诱导速度的多极展开表达式。通过对悬停和前飞状态下旋翼尾迹中涡元诱导速度的计算,分析了该方法的加速特性和准确性。在此基础上,采用多极展开算法求解了旋翼模型在悬停和前飞状态下的自由尾迹几何形状和桨盘诱导入流分布,并与直接计算结果和实验数据进行了对比,表明FMM算法在提高计算效率的同时能够保持较高的精度。

涡片计算的自适应快速多极边界元法研究

为了提高涡方法的计算效率,本文将自适应快速多极边界元法引入涡方法中,发展了一种能够快速计算流场中物体表面涡片强度的方法。首先从流场基本方程详细推导了涡片计算的快速多极边界元方程,然后基于自适应树结构,采用预处理GMRES算法设计了涡片强度的计算方法,最后完成了程序化和数值计算。算例的计算结果与精确解、实验值比较吻合,验证了计算方法的正确性和稳定性。数值计算还表明自适应快速多极边界元法可以显著提高计算效率,减少对存储空间的需求。

弹性半空间夹杂群对平面SH波散射的快速多极多域边界元法模拟

结合快速多极子展开技术,发展一种高精度快速多域间接边界元方法,用于求解弹性半空间大规模夹杂群对平面SH波的二维散射。数值检验表明,该方法能够高效精确地求解大规模多域散射问题,同时可大幅度降低计算存储量,据此在普通电脑上可实现数百万自由度二维多域出平面散射问题快速求解,进而分别针对半空间中均匀分布和随机分布的夹杂群,探讨了夹杂群刚度、形状对其周围平面SH波散射的影响规律。研究结果表明:由于弹性波的多次散射相干,使得夹杂群对平面SH波的散射与单夹杂体存在显著差异,总波场空间分布特征和位移频谱特征更为复杂;平面SH波散射特性主要取决于夹杂体的材料软硬程度、几何形状特征和入射波的角度、频率。另外,研究方法和分析结论可为半空间复杂不均质体对SH波散射正、反演分析提供新的技术手段和理论依据。

基于快速多极边界元法的局部场地对地震波高频散射二维模拟

结合快速多极子展开技术与间接边界元法,发展一种新的高频地震波散射(二维平面内)快速模拟方法。精度和效率检验表明该方法具有很高的计算精度、求解效率及良好的数值稳定性,同时可大幅度降低计算存储量。进而以半空间峡谷与凸起地形对平面SV波的高频散射为例,讨论了峡谷及凸起周围地震波宽频散射基本特征,给出了千米尺度局部场地、0~25 Hz频带宽度的散射模拟结果。分析表明:高频SV波垂直入射下,峡谷角部水平和竖向位移均表现出明显的放大效应,而峡谷底部的散射效应较弱;半圆凸起顶部附近水平位移谱峰值高达5.0,山脚处位移反应则受到明显的抑制作用;斜入射情况,峡谷地形迎波面一侧位移幅值较大,而凸起地形则是背波面一侧放大显著。数值结果可为复杂局部场地中大型工程抗震设计提供部分理论依据。

三维位势快速多极虚边界元最小二乘法

将快速多极展开法(FMM)和广义极小残值法(GMRES)结合于三维位势问题的虚边界元最小二乘法,使求解方程的计算量和储存量与所求问题的计算自由度数成线性比例;欲达到数值模拟大规模自由度问题的目的.基于位势问题虚边界元最小二乘法的数值求解格式,将对角化和指数展开系数的概念引入到常规的快速多极展开法中,将三维位势问题的基本解推导为更适合于快速多极算法的展开格式,并用广义极小残值法求解方程组,旨在达到进一步提高效率且仍保证较高计算精度的目的.数值算例说明了该方法的可行性,及计算效率和计算精度.

基于快速多极子基本解方法(FMM-MFS)的弹性波二维散射模拟研究

针对弹性波二维散射问题,发展一种新的快速多极子基本解方法(FMM-MFS)。方法基于单层位势理论,通过在虚边界上设置膨胀波线源和剪切波线源以构造散射波场,从而避免了奇异性的处理和边界单元离散;结合快速多极子展开技术(FMM),大幅度降低了计算量和存储量,突破了传统方法难以处理大规模散射问题的瓶颈。以全空间孔洞对P、SV波的二维散射为例,给出了具体求解步骤,并在个人计算机上实现了上百万自由度问题的快速精确计算。在方法效率和精度检验基础上,分别以单孔洞和随机孔洞群对平面波(P、SV波)的散射为例进行计算模拟,揭示了孔洞(群)周围弹性波散射的若干重要规律。

一种新的三维位势问题多极边界元离散方法

应用快速多极展开法将三维位势问题的边界方程离散.由于在边界方程基本解中,含有奇异项1/r,影响了多极展开(FMM)的应用,笔者利用拉普拉斯变换,可以转换为指数形式序列.这种方法避免了多极展开的奇异性,得到了新的离散解析式,为理论分析多极边界元提供了一种新的方法.

一种新的三维位势问题多极边界元离散方法

应用快速多极展开法将三维位势问题的边界方程离散.但是由于在边界方程基本解中,含有奇异项1/r,其影响了多极展开(FMM)的应用,但是利用拉普拉斯变换,可以转换为指数形式序列.这种方法改善了多极展开的奇异性,得到了新的离散解析式,为多极边界元在工程应用提供了理论分析.

无网格等离子体静电模粒子模拟方法

介绍了一种无网格粒子模拟方法 :三维快速多极展开方法 (3DFMM ) ,对其进行改进以提高精度 .在低维粒子模拟中 ,采用具有低维运动的球粒子模型 .模拟了尘埃粒子在背景等离子体中产生的势场 ,以及等离子体中电子相对于离子运动所引起的不稳定性 ,并得到合理的物理图象 .

弹性波三维散射快速多极子间接边界元法求解

边界元方法对于无限域中弹性波散射求解具有独特优势,但求解矩阵的非对称稠密特征极大限制了该方法在大规模实际工程中的应用。为此,基于单层位势理论,结合快速多极子展开技术,通过对球面压缩波和剪切波势函数的泰勒级数展开,建立一种新的快速多极间接边界元方法,以实现大规模弹性波三维散射的精确高效模拟。算例分析表明所提方法能够大幅度降低计算时间和存储量,可在目前普通计算机上快速实现上百万自由度弹性波三维散射问题的快速精确求解。最后以全空间椭球形孔洞群对平面P波、SV波的散射为例,揭示了三维孔洞群周围稳态位移场和应力场的若干分布规律。该文方法对低无量纲频率(ka<5.0)的大规模多体散射问题尤为适合。

势流问题边界积分方程的几种解法对比

为了求解势流问题边界积分方程,以简单格林函数为基函数建立了势流问题边界积分方程,并对求解积分方程的几种数值方法一直接法,迭代法和多极子方法进行了理论分析和介绍,通过无限静水面下一偶极子作用问题的数值计算,对上述几种方法的运算速度和内存消耗进行了分析对比,结果表明快速多极子方法比另外两种计算方法在计算量和计算机存储量方面更加优越,可以分别降低到近似O(N)数量级,建议将快速多极子方法应用于大型计算问题中。

弹性波二维散射快速多极子间接边界元法求解

求解方程的稠密矩阵特征极大削弱了传统边界元法在求解大规模实际工程问题中的优势。为此,结合快速多极子展开技术,发展一种新的高精度快速间接边界元方法,用于求解大尺度或高频弹性波二维散射问题。以全空间孔洞周围SH波散射为例,给出了具体求解步骤。算例分析表明该方法具有很高的计算精度和求解效率,同时能够大幅度降低计算存储量,可在目前主流计算机上实现上百万自由度弹性波散射问题的快速求解。最后以半空间中凹陷场地对SH波的高频散射为例,讨论了凹陷周围高频波散射的基本特征,可为峡谷地形中大型工程抗震设计提供部分理论依据。

双旋翼自由尾迹计算分析中的加速算法

对快速多极展开算法(FMM)在共轴式和纵列式双旋翼自由尾迹互诱导速度计算中的应用进行了研究。介绍了FMM算法的基本原理,建立了FMM算法的数学计算模型,并对其加速特性和准确性进行了分析;将方法引入到基于直涡元的自由尾迹互诱导速度的计算分析中,推导了诱导速度的多极展开表达式。在此基础上,以某旋翼模型为例,通过对自由尾迹中涡元诱导速度的计算,验证了加速算法的加速度特性和准确性。使用方法对共轴式和纵列式双旋翼悬停和前飞状态下的自由尾迹几何形状进行了计算,分析了双旋翼之间的相互干扰。

改进的特征基函数法分析电磁散射问题

目标电磁散射特性分析具有重要意义,矩量法等数值方法是求解该类问题的重要工具。当待分析目标的电尺寸增大时,矩量法的内存需求和计算量随之快速增加,极大地限制了可求解问题的规模。宏基函数类方法通过在宏域上构造各种宏基函数,减少未知量数目,实现最终矩阵方程规模的缩减,使分析大规模问题变为可能。重点研究该类方法中近期获得较大发展的特征基函数法,结合物理光学法和球谐函数展开-多层快速多极子技术分析电磁散射问题。数值结果验证了改进的特征基函数法的准确性与高效性。