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。

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。

基于欧拉—拉格朗日方法的某溢油事故天然渔业资源损失评估方法案例研究

本研究针对渤海中部某船舶碰撞溢油事故,基于欧拉-拉格朗日方法,对事故发生后的油膜漂移扩散和油膜消失后的溶解态分布趋势,分别进行了数值模拟。在此基础上,界定事故溢油对渤海天然渔业资源的影响范围,进而估算天然渔业资源损失。结果显示:溢油量按13 m^3计算,油膜存在期约为72 h,累加油膜扫海面积约为69.19 km^2;油膜消失后,事故溢油仍会以溶解态、乳化态或悬浮颗粒态在海水中扩散,水体中的石油烃含量符合渔业水质标准,溢油在第11天中午即可抵岸;油膜会造成渔业资源损失,油膜消失后,悬浮颗粒态和乳化态石油在岸滩等因素影响下会形成凝聚态石油,并对潮间带生物造成影响。其影响面积结合溶解态抵岸区域内自然岸线长度予以估算,经评估,在油膜扫海区域及受影响潮间带范围内,事故经济损失额合计为631.9万元。本研究对数值模型方法在溢油事故天然渔业资源损失评估中的应用方面做了有益尝试,为无现场观测数据支撑的海洋溢油事故天然渔业资源损失评估提供了一个可行的方法。

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。

基于耦合欧拉-拉格朗日方法的射弹高速入水尾拍数值分析

针对超空泡射弹火炮武器在航空反水雷作战中的应用,基于有限元分析软件Abaqus耦合欧拉-拉格朗日方法,开展射弹高速入水过程的数值模拟研究。通过对射弹垂直入水过程的数值模拟,获得高速入水载荷的一般形式;分析射弹倾斜入水过程中入水空泡的包覆状态与入水载荷、入水姿态变化之间的耦合关系,揭示射弹入水尾拍这一动态稳定运动的形成机理。不同入水攻角下射弹高速入水尾拍的仿真结果表明,在相同发射状态下,入水攻角是影响射弹密集度的重要因素。

沉箱码头地震液化任意拉格朗日欧拉方法大变形分析

为解决传统UL方法在大变形分析中由于网格畸变出现分析中断的问题,基于水土二相混合理论和算子分离技术,开发了一种解耦合任意拉格朗日欧拉方法(ALE方法),并将其用于松砂地基沉箱码头地震液化大变形分析。ALE方法能够在UL方法失效时完成强震作用下松砂地基沉箱码头的地震响应分析,保证网格整体质量并提供误差较小的数值解。此外,将ALE方法用于松砂地基沉箱码头地震液化减灾措施评价,为松砂地基下沉箱码头优化设计提供了一种途径。结果表明:松砂地基条件下,加密置换区土体能显著减小沉箱结构的位移和沉箱趾部前端隆起;对于置换区不加密的情况,加密回填区土体能减小沉箱结构的位移,但对置换区加密的情况,加密回填区土体对沉箱结构的位移无明显减小作用;置换区和回填区均存在临界有效加密范围,超过此范围,沉箱结构的位移响应无明显变化;碎石桩结合置换区和回填区加密措施能进一步减小沉箱结构的位移响应,并提高沉箱结构的抗液化潜能。

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。

基于欧拉—拉格朗日方法的复合材料机翼前缘鸟撞模拟

复合材料大面积用于飞机结构后,其鸟撞问题变得更加突出。利用大型通用有限元程序ABAQUS,采用耦合欧拉-拉格朗日方法(CEL)对某型无人机复合材料机翼前缘的鸟撞问题进行模拟,研究鸟体速度、密度和蒙皮铺层形式等对鸟撞动响应的影响,计算机翼前缘填充泡沫后的鸟撞损伤,对复合材料蒙皮的鸟撞破坏机理进行分析,所得结果对工程设计具有参考意义。

利用欧拉-拉格朗日方法预测层流泡状流的含气率分布

利用欧拉拉格朗日方法,提出了用于预测竖直管道内绝热层流泡状流中含气率分布的三维模型。该模型能够跟踪单独的气泡轨迹,从而获取更多的界面力信息;同时气泡尺寸可以作为参数之一引入模型,使含气率分布的计算更为方便。模型中分析了绝热层流泡状流中气泡的各项受力表达式,建立了两种描述方法下的气液两相间的耦合关系。利用现有实验数据对模型进行的检验表明,该模型能够预测一定尺寸范围内气泡的分布;气泡径向分布主要取决于气泡所受侧向提升力。对于更大尺寸的气泡,气泡变形和气泡尾迹与当地流场间相互作用将对侧向提升力产生很大影响。

基于耦合欧拉-拉格朗日方法的浮筒着水数值仿真

基于耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法对浮筒着水进行数值仿真。建立浮筒着水三维模型,在保持浮筒质量、水平速度不变的情况下,利用三维模型对不同初始姿态角和下沉速度时浮筒着水工况进行数值仿真,最后对比各工况下垂直加速度、垂直速度、姿态角时历曲线。结果表明:下沉速度越大,浮筒所受载荷越大,初始姿态角越小,浮筒发生第二次弹跳的时间就越早;垂直加速度的仿真结果与水池着水试验结果比较吻合。

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。

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。

对流-扩散方程的欧拉-拉格朗日修正格式

在欧拉-拉格朗日分裂格式的基础上,文章提出了一种改进的欧拉-拉格朗日分裂格式,主要对欧拉步进行了修正。改进后的格式比原来的格式精度更高,且为无条件稳定。

基于耦合欧拉-拉格朗日方法的砂土中静压桩挤土效应数值模拟

为探讨砂土地基中静压桩沉桩过程的挤土效应,引入Simsand砂土临界状态本构模型,采用耦合欧拉-拉格朗日(coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)方法,模拟分析了砂土中静压沉桩过程的挤土效应。基于相关试验数据校定本构模型参数,利用模拟离心机沉桩试验,验证数值模型的准确性。结果表明,挤土效应的影响区域直径随着桩尖角度和砂土相对密度的增大而增大,压入过程中,平底桩的挤土效应倾向于竖向向前,增大了土体阻力。桩基压入引起近地表土层发生隆起,密砂地层的隆起较松砂地层显著。随着深度增加,桩周土体的竖向位移由隆起变为向下移动,且趋于稳定,密砂中发生的侧向位移大于松砂地层。挤土效应的影响区域直径随桩端竖向向下方向迅速衰减,随桩端竖向向上方向发生小幅度减小,在密砂中沿径向方向呈现先增大后减小的趋势。

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。

基于欧拉-拉格朗日方法的空化模型改进与应用

针对现有空化模型经验参数较多影响预测精度的问题,提出改进的空化模型。采用欧拉-拉格朗日方法模拟不凝性气体与空化气泡的融合过程,得到气泡数密度与液体体积分数的关系。结合气泡在液体中的力平衡状态和气体状态方程,得到气泡半径的表达式。基于简化的Rayleigh-Plesset方程建立空化模型,将不凝性气体摩尔浓度确定为唯一需要指定的参数。最后,将改进模型和ZGB模型应用于节流孔板和文丘里管,并与文献中的实验结果进行对比。结果表明:改进的空化模型能准确地预测空化流,并且对于非定常空化流,可以捕捉到空化初生、发展、分离、脱落和溃灭的周期性过程。

基于EL模型的NPC-UPQC混合无源控制方法

在传统两电平统一电能质量调节器的基础上,采用三电平二极管箝位型逆变器代替三相桥式逆变器,构成二极管箝位型统一电能质量调节器的主电路。针对基于瞬时无功功率理论的二极管箝位型统一电能质量调节器补偿量检测方法中使用锁相环所带来的误差,提出无锁相环的基于电网工频时钟的dq0检测法,对电压和电流畸变分量分别进行实时检测。为提高二极管箝位型统一电能质量调节器的控制性能,建立并分析了二极管箝位型统一电能质量调节器的欧拉-拉格朗日模型,基于该模型与二极管箝位型统一电能质量调节器的无源性,设计了混合无源控制器。利用提出的补偿量检测方法和混合无源控制器,可有效补偿电压或电流,使负载电压或电源电流为近似正弦波。利用Matlab/Simulink软件搭建二极管箝位型统一电能质量调节器的仿真模型,对二极管箝位型统一电能质量调节器的补偿性能进行了仿真研究,并对实验结果进行了分析。仿真结果验证了本文提出的检测方法及混合无源控制策略的有效性。