斜激波冲击下层合壁板-空腔系统流-固-声耦合动力学分析

斜激波作用下复合材料壁板-空腔系统气动弹性问题涉及非线性气动力、壁板大变形振动和声腔流体声波的强耦合作用,是高速飞行器弹性壁板设计中关注的重要问题.以往研究主要分析声腔恒定压力对壁板颤振特性的影响,忽略了声场与结构之间的动态耦合特性.为了弥补这一研究缺陷,文章提出一种隐式分区计算方法实现对高速可压缩流体、大变形壁板和声腔流体声波3个物理场进行强耦合计算.基于任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE)框架的有限体积法求解可压缩黏性流体Navier-Stokes方程,采用高阶剪切锯齿理论和有限元方法建立复合材料壁板非线性动力学模型,采用波动方程描述空腔内可压缩声学流体.揭示了空腔物理参数(声学流体密度、平均压力和空腔深度等)对壁板-空腔系统气动弹性响应的影响规律,发现了若干新现象:改变空腔物理参数可导致壁板运动从定点稳定静变形转变到周期极限环颤振;空腔内声学流体的“弹簧效应”导致壁板表面声压载荷反相位作用于壁板运动;特定空腔深度比下,空腔声模态变化会改变声压脉动与壁板振动的相位关系,导致壁板临界颤振动压降低.

渗流作用下海底隧道的流-固耦合地震响应分析

为了研究渗流和地震对海底隧道结构的影响,文章选取海底断裂破碎带处的隧道为研究对象,将隧道围岩定义为多孔连续介质,并考虑粘弹性人工边界、围岩与岩体孔隙水之间的流-固耦合作用,利用有限元软件ADINA,分析了水平地震作用下隧道围岩中孔隙水压力的变化、多孔介质中的动水压力对隧道衬砌的作用、多孔介质渗流场与地震应力场的耦合作用对隧道安全与稳定的影响。数值计算结果表明:渗流情况下多孔围岩介质中的动水压力对隧道结构内力具有明显的影响,不可忽略;地震作用使得隧道衬砌两侧、拱肩和拱脚区域应力应变明显增大。

基于DDA方法一种流-固耦合模型的建立及裂隙体渗流场分析和应用

以非连续变形分析方法(DDA)为基础并采用稳态流体计算方法将二者结合进行裂隙岩体流-固耦合分析。利用DDA方法生成裂隙岩体模型,在此基础上采用矩阵搜索等方法形成新的裂隙水通网络模型。采用稳态迭代算法和立方定律求得裂隙水压力,并把裂隙水压力作为线载荷施加到块体边界,在DDA算法中每个迭代步完成后更新裂隙开度和水压值,与DDA算法结合研究裂隙水与块体之间相互作用关系。利用以上裂隙岩体流-固耦合计算方法研究了某水封油库开挖和运行过程洞室围岩流量和密封性,为该工程预测水封效果提供了有益的主要依据,也是国内首次采用DDA方法做大型工程的流-固耦合模型分析。

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。

基于流-固耦合的后处理系统热管理仿真分析

基于流-固耦合仿真方法,采用流体仿真软件STAR-CCM+建立卡车的整车三维辐射模型,仿真分析高速(车速为60 km/h)和驻车2种工况下后处理系统的流场和温度场,并开展后处理系统的热管理。结果表明:由于车速影响,传热损失增加,后处理系统的温度无法满足工作要求;在后处理系统增加保温层后,后处理系统固体壁面温度大幅提升,固体壁面最低温度在高速工况提高了58.83℃,驻车工况下提高了58.50℃;保温效果随着保温层厚度的增加而增加,但保温效果的提高幅度随保温层厚度的增加而减小。

基于CFD-DEM的流-固耦合数值建模方法研究进展

随着土体渗流侵蚀研究的逐渐深入,对土颗粒流失和变形破坏机理的研究方法呈现出多尺度的特点。其中,计算流体力学-离散元耦合方法(CFD-DEM)为在细观尺度上研究流-固耦合相互作用对土体宏观力学特性的影响提供了一种行之有效的方法。针对CFD-DEM耦合方法在岩土工程领域应用现状,本文系统总结现有流-固耦合计算方法的优缺点,重点论述CFD-DEM耦合方法的建模策略,包括固相颗粒形状建模与粒间接触模型、流体相控制方程及参数计算方法,以及CFD-DEM耦合计算,并就相关问题进行深入探讨,最后提出了CFD-DEM耦合方法未来的发展方向。

基于流-固耦合辅助喷嘴特性分析

文章主要研究喷气织机中不同孔型的辅助喷嘴应力形变问题,利用Fluent软件建立了辅助喷嘴结构的三维模型,采用k-ε湍流模型对其结构进行流-固耦合数值模拟,对单圆孔、椭圆阵列以及圆阵列三种孔型的辅助喷嘴在同一流体激励下进行分析,得到各个辅助喷嘴在同一流体激励下的变形情况,结果表明,椭圆阵列在流体激励下的形变最大,圆形阵列辅助喷嘴结构的形变最小,为喷气织机的辅助喷嘴结构设计生产提供参考建议。

台风-浪-流耦合作用超大浮体水弹性响应分析方法

海上机场超大浮体结构在台风等极端海洋环境下的动态响应准确预测是保障其安全性能的关键前提,其难点在于准确构建中/小尺度复杂流场与浮体结构的流固耦合计算模型。本文提出了一种基于中/小尺度嵌套的海上机场超大浮体水弹性响应分析方法,二次开发实现了台风-浪-流耦合模拟,分析了超强台风“莫兰蒂”途经海上机场超大浮体全过程台风-浪-流时空演变规律;采用中/小尺度流场嵌套技术计算水动力和气动力,代入结构动力学方程进行双向迭代解耦求解;通过算例分析了台风-浪-流耦合作用下浮体结构水弹性响应及影响机制。研究表明:本文提出的方法能够有效地预测此类极端环境下超大浮体结构水弹性响应。

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。

渗流—应力耦合下隧道爆破开挖对邻近水坝影响因素分析

为研究隧道爆破施工作用下邻近水库大坝的安全性,以浙江义东高速公路防军隧道出口段麻车坑水库为研究对象,通过理论分析阐述了大坝的振动破坏过程,利用有限元软件MIDAS GTS NX数值模拟的手段,探讨了不同爆破炸药量、爆心距、坝前水位变化对水库大坝稳定性的影响,揭示了水库大坝应力与振速的变化规律,并进一步引入Morris筛选法对各因素的影响程度进行评价分析。研究结果表明,影响水库大坝稳定性控制变量因素的主次关系为炸药量>爆心距>坝前水位;水库大坝的应力峰值与振速峰值随着隧道炸药量的增大、坝前水位的增高、爆心距的减小而增大;隧道爆破施工时,可以采取提前排放库水、控制炸药量及爆心距等方式使水库大坝受到的损伤降到最低,研究结论可为邻近隧道爆破施工水库安全防护提供参考与借鉴。

固流耦合作用下煤层气解吸-渗流实验研究

以典型的高瓦斯矿井阜新孙家湾矿为研究对象,利用自主研制的自压式三轴渗透仪,对煤层气解吸和渗流间的相互作用规律进行了实验研究.实验过程中连续进行加载和卸载(改变轴压、围压和孔隙压)并考虑了固流耦合作用影响,模拟了三维应力下煤层气运移过程.实验结果表明,加载条件下,渗透率和渗透系数与孔隙压力、解吸量、解吸时间的关系具有相似性.在此过程中,渗透率和渗透系数随孔隙压增加均呈非线性递减关系,都具有负指数规律,而解吸量和解吸时间均呈多项式形式增加,且渗透率和渗透系数存在某一临界值,当小于此值时渗透率和渗透系数随瓦斯孔隙压力增大而减小.卸载条件下,有效水平应力与渗透率和渗透系数呈抛物线关系(先减小后增大),而有效水平应力与解吸量和解吸时间均为负指数形式递减,具有典型的煤层气开采的三阶段主导作用特征(有效应力主导阶段、基质收缩主导阶段和滑脱效应主导阶段).实验结果真实地反映了煤对瓦斯的吸附和解吸作用;实验结论与前人研究结果吻合较好,说明实验方法和步骤是合理的.

低渗透储层流-固耦合渗流规律的研究

考虑低渗透油藏渗流时启动压力梯度和低渗储层的流-固耦合特性,将渗流力学与弹塑性力学相结合,建立适合低渗透油藏的流-固耦合渗流数学模型,并给出其数值解。在黑油模型和弹塑性有限元程序的基础上,编制了计算低渗透油藏流-固耦合渗流的计算软件。通过数值模拟与不考虑流-固耦合时的计算结果相对比,从中可以看出,低渗透油藏中流-固耦合效应是十分明显的。

热-流-固耦合渗流的数学模型研究

本文阐述热-流-固耦合渗流的数学模型。基于线性热弹性理论,介绍了饱和多孔材料多场耦合的完整方程组,包括渗流方程、本构方程和能量方程。并讨论了对它的求解内容及其在相关工程技术领域的应用。

泰安抽水蓄能电站围堰稳定性的流-固耦合分析

应用FLAC3D对泰安抽水蓄能电站进、出水口围堰防渗结构进行了三维流-固耦合分析。同时,研究了基础开挖对围堰和基础边坡稳定性的影响。计算结果表明,高压喷射灌浆防渗心墙对围堰和基础边坡具有良好的防渗作用,增强了围堰和基础边坡的稳定性。开挖过程对围堰和基础边坡的影响是局部的,对围堰和基础的整体稳定没有产生更大的影响及引起坡脚的破坏,表明开挖侧面预留平台宽度是合理的。

变形多孔介质温度-渗流-应力完全耦合模型及有限元分析

根据多孔介质中温度、渗流及应力之间复杂的耦合关系,基于连续介质力学和混合物理论,导出变形多孔介质热–流–固三场耦合模型及其控制方程,探讨有限元法的求解过程,以ABAQUS软件为求解器,在MATLAB语言环境下编制相应的计算程序,并通过典型算例考证程序的正确性。然后研究石油钻井过程中的热–流–固耦合作用过程,详细分析场耦合作用对井壁孔隙压力、温度和应力的影响,计算结果表明,热–流–固耦合作用对井壁稳定有重要的影响,应全面考虑各物理场之间的耦合作用。研究成果为分析岩土介质多场耦合过程提供一条有效的途径,从而为进一步研究温度–渗流–应力–化学(THMC)耦合问题奠定基础。

离心式压气机流-热-固耦合分析

利用松散耦合方法建立离心式压气机稳态流-热-固耦合模型,将离心式压气机解耦成气动、传热和结构三个子系统,子系统间存在热、力和变形的传递。由于不匹配的网格划分,利用反距离平均方法构造插值函数实现热与力向结构的传递,采用统一有限元模型实现热-固顺序耦合分析,利用网格重生成技术实现结构变形到气动分析模型的传递。经过3次迭代离心式压气机耦合系统达到收敛。结果表明,分析的离心式压气机内部流-热-固耦合强烈,耦合解法与非耦合解法得到压气机响应存在较大差异,对于多学科耦合强烈的构件,需要考虑学科间的耦合效应反应真实的工作状况。

基于流-固耦合的压裂裂缝形态影响因素分析

压裂裂缝形态易受储层物性、地应力、施工参数及压裂液黏度的影响.基于多孔介质流-固耦合的基本方程,根据损伤力学基本理论,利用cohesive黏结单元模拟压裂过程中裂缝起裂、扩展造成的损伤,以此建立水力压裂垂直裂缝扩展的三维有限元模型.模型可以对垂直缝扩展进行动态模拟,定量描述压裂过程中裂缝长度、高度、宽度.通过模拟发现:①储隔层弹性模量差值较小、施工排量过大、储隔层最小水平主应力差值较小均可能造成泥岩穿层,裂缝长度急剧下降,严重影响压裂效率;②渗透率对裂缝长度的影响最大,高弹性模量、低渗透的储层容易造长缝,但是高弹性模量、高渗透或高滤失的储层裂缝长度较短;③弹性模量对裂缝宽度的影响最大.

库水位升降作用下大型土石混合体边坡流-固耦合特性及其稳定性分析

以金沙江中游梨园电站坝前大型土石混合体边坡为例,基于精细地质结构模型,研究其在蓄水及库水位骤降过程中的流-固耦合及相应的稳定性变化特征。结果表明:蓄水初期边坡地表变形较为缓慢,当库水位达到某一高程时,其地表变形呈现陡增趋势;在蓄水初期边坡的稳定性有所下降,当上升至某一临界水位后边坡稳定系数达到最低值,而后随着库水位的上升有所回弹;库水位骤降对边坡稳定性影响较大,且其稳定系数下降随着骤降幅度的增大而增大。这些对于指导实际工程及深化库区土石混合体边坡的研究具有一定的理论意义。

基于渗流-应力耦合分析的野鸡尾尾矿坝稳定性研究

基于渗流场与应力场耦合机理,对柿竹园野鸡尾尾矿坝进行稳定性研究。研究渗流-应力的耦合效应,提出了渗流-应力耦合以及渗流体积力计算的实施方案;建立二维的有限元渗流-应力耦合计算模型,分析了考虑耦合效应时的尾矿坝渗流场、位移场、应力场;最终分析了不同耦合关系对于渗流量、位移场、等效渗透集中力以及应力场的影响。研究结果表明:当前水力条件下,尾矿坝稳定性良好;尾矿坝主要受水平渗透力作用,初期坝坝顶、坝脚以及坝底等处应力集中;尾矿坝的渗流-应力作用不容忽视,不同的耦合关系对于x方向位移、渗透力的预测影响巨大;考虑渗流-应力耦合关系得到的主应力、剪应力以及竖向位移,比不考虑耦合效应时大。

基于流-固耦合的车辆减振器动态非线性仿真分析

基于流-固耦合有限元方法,利用ADINA软件建立了高精度的叠加节流阀片有限元网格模型和流场有限元网格模型,并在ADINA软件后处理模块中进行求解分析,得到了减振器阻尼力-速度分段特性、示功特性、阀系内部的压力场和速度场特性,分析了减振器阀系动态非线性特性。结果表明:在高速减振器油的冲击下,阀系内部区域的压力场变化明显;达到开阀压力时,油液流动速度呈现跳跃变化,使得阻尼通道压力迅速变化。这说明叠加节流阀片有限元网格模型和流场有限元网格模型的精度对仿真结果影响最大。在流-固耦合计算中考虑了流体湍流流动、阀片接触和大位移变形,尽量使仿真模型与物理模型保持一致,试验结果与仿真结果吻合较好。