“浸入法”在高职英语教学中的运用

笔者通过分析高职英语教学高投入、低回报的现状,提出"浸入式"教学法是改变这一现状的有效途径,并探讨了"浸入法"在高职英语教学中的作用及使用"浸入法"需解决的问题。

边界数据浸入法在弱可压缩流动中的应用

受限于计算机的计算能力与计算的成本,实际的计算过程中,往往要对流体做出一些物理假设,如无粘流体、不可压缩流体等,但是这将给计算带来不同程度的误差.为解决此问题,提出了一种对弱可压缩粘性流动问题进行求解的数值方法.该方法不仅可以对计算域内包含静止固体的流场进行计算,也适用于包含运动固体的弱可压缩粘性流场的求解.该方法从水的状态方程开始,对弱可压缩粘性流体运动的速度与压力方程进行了严格推导.考虑到流场中固体的影响,使用边界数据浸入法(Boundary Data Immersion Method, BDIM)将流体子域与固体子域之间耦合,而所使用的BDIM可将流体及水下声学计算中的运动物体准确地表示出来.因此,本文首次将弱可压缩粘性流动计算与BDIM结合起来,并解决了考虑流体的弱可压缩性与粘性的流场求解问题.为验证所提方法的有效性及准确性,计算了3个二维经典算例,并将计算结果与采用其他方法所得数据结果进行比较.对比结果表明,在考虑流体的弱可压缩性与粘性的前提下,本文所提出的新算法可对运动流体中存在静止或运动固体的流场进行准确有效的计算.

浸入运动边界-格子Boltzmann方法4种固含率计算方法对比研究

为了达到流固耦合,格子Boltzmann方法(LBM)可采用浸入运动边界法(IMB)实现移动颗粒边界上的无滑移条件.该耦合方式(IMB-LBM)中固含率计算方法对流固耦合计算精度和效率有影响.对常用的固含率4种计算方法,即蒙特卡洛法(MCM)、单元分解法(UDM)、近似多边形法(APM)和闭合边界法(CBM),分别阐述其具体算法,对比了它们的计算精度和计算效率;最后通过圆盘颗粒非连续变形分析方法(DDDA)与IMB-LBM耦合模型下的一个多颗粒沉降流固耦合算例,对比分析了它们在流固耦合计算过程中的耗时.结果表明:1)CBM无误差,MCM和UDM在随机点数取1000,子单元数取100时误差稳定在1%以下,APM在颗粒直径大于格子长度10倍时,误差小于0.44%;2)MCM和UDM的计算精度及耗时分别与随机点数和子单元数相关,它们的计算耗时大于APM和CBM;3)计算效率上,APM>CBM>UDM>MCM,其中CBM计算耗时略微大于APM,APM和UDM计算耗时分别比MCM少2个和1个数量级.该结果可为IMB-LBM耦合模型中固含率计算方法优选提供借鉴.

建立基于浸入边界有限元法的三维静脉瓣流固耦合数值模型

目的 探究静脉内血液与瓣膜之间的流固耦合动态过程和保证血液单向回流的生理机制。方法 基于浸入边界有限元法,结合人体下肢静脉医学图像及牛大隐静脉的解剖结构和尺寸,采用超弹性本构模型描述静脉瓣膜在生理条件下不可压缩、非线性和超弹性力学响应,构建静脉血管和静脉瓣膜的三维数值模型。结果 研究结果可视化地展示静脉动态运输血液的过程以及静脉瓣膜防止反流的功能机制,再现静脉内瓣膜运动和血液流动的周期性特点,讨论和量化了整个心动周期内的重要生理数据,包括静脉内血液的压力、流速和流量以及静脉瓣膜的开口面积、静脉瓣膜表面的应力和应变分布等。结论 三维流固耦合模型可数值再现静脉内生理动态过程,为进一步揭示静脉疾病相关机制提供重要的参考和指导意义。

基于浸入边界法的海上风电双向流固耦合数值模拟方法

为研究海上风电机组在运行过程中的流场特性及流固耦合动力响应,引入海上风电机组整机系统一体化分析理念,提出基于浸入边界法的海上风电双向流固耦合运行过程模拟方法。其中,采用浸入边界法模拟了风机旋转引起的静动干涉问题,基于交错迭代法构建了适用于风电机组“风机-塔架-基础”一体化研究的双向流固耦合数值模拟方法。该方法能够真实反映海上风电机组的流固耦合效应,准确求解其动力响应。所采用的浸入边界法无需更新网格运动,能够高效求解风电机组叶片旋转引起的静动干涉问题。最后,将该方法应用于工程实践,模拟了某海上风电工程双向流固耦合运行全过程。

基于浸入边界法的扑翼飞行数值模拟

本文提出了基于浸入边界法的扑翼鸟建模与仿真,首先检验了数值方法的精确性,而后对NACA0012翼型的升沉运动与俯仰运动进行了研究,最后对三维扑翼的翅膀拍动时间非对称性进行了研究。结果表明:浸入边界法对拍动翼型的模拟能够很好地和文献结果吻合。升沉运动的推进能力由翼型前缘涡的大小和位置决定,升沉运动推进效率的峰值主要集中在0.3≤St≤0.4时。升沉运动耦合俯仰运动时,在俯仰角25°及相位差85°时,推进效率达到峰值。在三维模拟中,适当增加翅膀下拍速度,能提供更大的升力,同时耗能也更高。研究结果可以为微型扑翼飞行器的扑动参数设置提供参考。

基于梯度增量level-set方法的复杂物体入水砰击数值模拟

复杂结构物自由表面砰击问题,如空投鱼雷、水空无人航行器潜水和高速船出入水,一直是海洋工程领域的研究热点。本文采用梯度增量level-set和虚拟网格法数值模拟复杂结构物的入水砰击,采用时间半隐式有限差分法求解不可压缩Navier-Stokes方程,虚拟网格法可重构复杂结构物界面插值模块并施加无滑移边界条件,梯度增量level-set法可捕捉非线性自由表面翻卷、射流等物理现象。基于以上方法模拟二维圆柱的常速入水砰击,并与试验和数值结果对比,验证本文数值方法的正确性。最后,数值模拟二维船型剖面和飞机剖面的入水砰击,分析了冲击压力、运动响应、压力分布和自由表面运动随入水角度的变化规律。同时,通过模拟可观察到复杂结构浸入水中后的流体分离、射流和小角度空气腔等典型砰击物理现象。

基于嵌入式迭代的高精度浸入边界法

针对传统浸入边界法施加边界条件精度不高的情况,将附加体积力的求解内嵌到压强泊松方程的迭代当中,提出了基于嵌入式迭代的浸入边界法.将所提出的算法应用到圆柱绕流数值模拟中,并与他人的实验值和数值解进行了对比,验证了所提算法具有较高的计算精度.分析了插值函数是导致浸入边界法高估圆柱阻力系数的原因,并对阻力系数进行了修正,修正值与采用贴体网格得到的结果非常吻合.比较了本文算法和传统算法的圆柱迎流侧驻点附近的速度矢量和圆柱周围的流线,证实了本文算法在施加边界条件方面的优越性.比较了两种算法的计算效率,迭代计算附加体积力所导致的额外耗时不显著.

浸入边界法及其应用

浸入边界法主要用于模拟存在复杂外形结构的流场的运动情况和处理各种动边界问题,目前已广泛应用于计算流体力学领域。浸入边界法既是数学建模方法又是数值离散方法,它将物体边界与流体的相互作用通过在流体运动方程中加体积力项来体现,并在数值计算中采用简单的笛卡尔网格,避免了按照物体边界形状生成贴体网格时所遇到的各种问题。浸入边界法分为连续力法和离散力法:连续力法主要用于处理弹性边界问题,它的力源项满足特定的力学关系式;离散力法主要用于处理固体界面问题,它的力源项由边界条件推导得到。着重阐述了浸入边界法的基本原理和数学构造,对目前已有的几种不同的浸入边界法做了简单地介绍,并给出了一些应用实例,最后提出了浸入边界法未来的发展方向。

基于浸入边界法研究超弹性红细胞在剪切流中的运动特性

目的研究微血管中红细胞在剪切流中的运动特性,为阐明血管疾病的发病机制和开展血液循环实验研究提供理论参考。方法建立具有膜厚度的超弹性红细胞模型,结合反馈力法和有限元浸入边界法,模拟红细胞在血液剪切流作用下的结构变形和运动方式。其中,固体采用超弹性材料,利用有限单元法进行求解;流体为不可压缩牛顿流体,利用有限差分法求解。结果数值计算结果重现了细胞在剪切流中以"坦克履带式"向前滚动的运动方式。计算结果与文献结果吻合较好,验证了计算方法的可靠性。结论所采用的浸入边界法对处理大变形问题的优势尤为明显,可以较好地展示红细胞在剪切流中的变形全过程。

虚拟解法分析浸入边界法的精度

浸入边界法是对流固耦合系统进行建模和模拟的有效工具,在生物力学领域的应用尤为广泛.该文的工作主要包含两个部分:程序验证和精度分析.前者证明了程序的正确性,后者给出了浸入边界法的精度.两部分工作均使用虚拟解法作为研究工具.在程序验证部分,使用二阶空间离散格式进行数值计算,通过分析各种变量的离散误差,得到的程序计算精度阶是二阶,与理论精度阶一致,证明了数值计算所使用程序的正确性.精度分析部分工作在此基础上展开.引入压强跳跃,在动量方程中加入相应源项,通过分析带有源项的控制方程中各物理量的离散误差,证明浸入边界法只具有一阶精度.同时可以得出以下结论:粗网格无法敏感地捕捉浸入边界的影响;当Eul-er网格固定时,增加Lagrange标志点的数目并不会改善计算误差.

浸入凝胶法聚合物膜形成机理的研究现状

从热力学、传质动力学、相分离机制和固化过程几方面综述了浸入凝胶过程中聚合物膜形成机理的研究现状 .指出浸入凝胶成膜过程是传质交换和由传质交换引发的相分离以及其后的固化过程之间相互竞争的复杂非平衡过程 。

刚体-流体耦合运动的浸入边界法研究

为避免复杂贴体网格的生成和动、静界面滑移网格技术插值带来的误差,提出采用浸入边界法模拟流体刚体的耦合运动.借助求解不可压缩N-S方程组的分步投影方法的思想,来求解基于浸入边界法的耦合系统方程.其中刚体边界离散点的作用力密度通过强制满足刚体边界的无滑移条件(位移和速度一致)导出,结合刚体定轴旋转的动量矩定理,采用Newmark时间积分方法,实现对刚体运动特性的预测.同时,通过δ光滑函数,将刚体边界离散点的作用力密度转换到流体的欧拉网格点上,实现对流场速度的修正.在空间离散上,对流项采用Quick迎风格式,扩散项采用中心差分格式,采用2阶显式Adams-Bashforth法离散时间项.以雷诺数为300的圆柱绕流为基准数值算例,验证数值计算结果的可靠性.

一种投影浸入边界法的快速直接求解方法

根据投影浸入边界法分步投影求解的特点,同时针对压力泊松方程离散后的大型稀疏线性方程组是非奇异非对称的特点,结合开源函数库UMFPACK,在传递线性方程组的系数矩阵和右端向量时,采用函数库Eigen将系数矩阵的数据结构改写优化,大大降低了存储空间,实现对高维大型稀疏线性方程组的快速求解,同时求解保持良好的稳定性。本文首先利用一具有解析解的数值算例验证了求解泊松方程数值方法的准确性和网格依赖性,进而利用VC++编写投影浸入边界法的数值计算程序,以单圆柱绕流为基准数值算例,通过与其他文献和实验结果的对比,验证了投影浸入边界法数值计算结果的可靠性,并进一步分析了不同雷诺数下圆柱绕流的流场结构特征和尾涡结构的动态演化过程。

基于浸入边界法的鱼体自主游动的数值模拟

对游动或飞行生物自主运动特性的深入研究,可促进仿生学的进一步发展。本文以"C"型游动鱼作为研究对象,建立了自主游动的柔性鱼模型。此模型较为真实地反映了鱼自主游动时鱼体内力(由鱼体肌肉收缩提供)、鱼体运动和外界流体之间的耦合作用。基于传统的反馈力方法和混合有限元浸入边界法对鱼的自主游动进行了数值模拟。分析了鱼自主游动启动阶段和巡游阶段流场特性及鱼体运动特征。模拟结果表明,受到鱼体自身组织结构和外界流场作用,鱼游动时通过呈"C"型和类"S"型的不断转换,以获取能量,实现鱼体自主游动。

基于反馈力浸入边界法模拟复杂动边界流动

浸入边界法是模拟流固耦合的重要数值方法之一。本文采用反馈力浸入边界方法,对旋转圆柱和水轮机活动导叶旋转摆动绕流后的动边界流场进行数值模拟。其中,固体边界采用一系列离散的点近似代替,流体为不可压缩牛顿流体,使用笛卡尔自适应加密网格,利用有限差分法进行求解。固体对流场的作用通过构造适宜的反馈力函数实现。本文首先通过旋转圆柱绕流的计算结果同实验结果进行对比,吻合较好,验证了该计算方法的可靠性。然后针对水电站水力过渡过程中水轮机活动导叶旋转摆动绕流后的动边界流场进行数值模拟,得到导叶动态绕流后的流场分布特性和涡结构的演化特性。

适用于浸入边界法的大涡模拟紊流壁面模型

基于近壁定常剪切应力假设,提出了一种新的适用于浸入边界法的大涡模拟紊流壁面模型。通过引入壁面滑移速度,修正了线性速度剖面计算得到的壁面剪切应力,使之满足Werner-Wengle模型。将其应用于平板紊流和高Re数圆管紊流的数值模拟,对比采用和不采用壁面模型的结果得知,采用此模型的速度剖面与实验值吻合良好,验证了此模型的有效性。研究了不同欧拉/拉格朗日网格相对位置对结果的影响,证明了此模型具有较好的鲁棒性,以及可根据局部流动状态和网格精度自动开闭的特点。

基于浸入边界法的拍动翼尾涡结构与水动力分析

针对目前拍动翼尾涡结构与水动力性能关系的研究有限,参数影响分析集中于水动力性能方面,且拍动翼等仿生流动的数值模拟经常涉及复杂移动边界问题的现状,应用自主开发的改进浸入边界法数值模拟拍动翼的非定常运动,探讨翼运动学、涡动力学和力的产生之间的关系。结果表明,所提出的边界条件重建算法兼顾计算效率和健壮性,开发的移动边界处理方法可有效解决浸入边界法中移动边界相关问题。三维拍动翼的尾涡由两列形状复杂的涡环组成,这两列涡环与尾流中心线成一定倾角向下游对流。水动力性能随运动参数的变化取决于力产生表象之下的涡动力学,包括涡的强度和方向、涡环的相互连接和粘性耗散。

不可压粘性流体浸入边界直接力法及软件实现

浸入边界法通过在N-S方程中施加体积力模拟不可滑移固壁边界及动边界,避免生成复杂贴体网格及动网格,极大地节省了网格建模时间及动网格计算消耗。本文提出一种新型附加体积力简化计算方法,将简化附加体积力以源项形式嵌入动量方程迭代中,通过用户自定义函数对CFD软件FLUENT二次开发,实现了浸入边界法和通用流体力学求解器的耦合计算。通过静止圆柱和动圆柱绕流数值模拟进行了验证,并探讨了插值函数对计算精度的影响。研究表明,通过引入浸入边界模型,能够提高计算效率,并实现结构网格背景下复杂边界和动边界的高效建模。

基于投影浸入边界法的流固耦合计算模型

针对建立的刚体和流体相互作用的浸入边界法数学模型,借助求解不可压缩N-S方程组的分步投影方法的思想来求解基于浸入边界法的耦合系统方程.在空间离散上,对流项采用Quick格式,扩散项采用中心差分格式.时间推进采用显式欧拉法,固体对流体的作用力源项引入流体体积(VOF)方法中的体积比函数,通过龙贝格算法高效求解每个网格单元中浸入刚体所占的体积比.利用VC++编写投影浸入边界法的数值计算程序,并以单圆柱绕流为基准数值算例,通过与其他文献和实验结果的对比,验证了数值计算结果的准确性和可靠性,并进一步分析了不同雷诺数下圆柱绕流场的涡结构分布特征.