线化欧拉方程的高阶间断有限元数值解法研究

采用高阶间断有限元法于非结构网格上针对复杂外形数值求解声学控制方程——线化欧拉方程.背景流场采用有限体积法于结构网格求得,一种高精度数据传递方法将基于有限体积法的背景流场数据传递到声场计算所采用的较为稀疏的非结构网格上,保证了背景流场信息的完整和精确.为提高计算效率,采用了一种更为直接的Quadrature-Free Implementation技术以及网格分区并行技术.数值结果表明采用高阶的情况下即使在稀疏的网格上也可以捕捉到细微的声场结构.

延性断裂韧度J_(ⅠC)测试中的钝化线方程

钝化线是描述裂纹试样在钝化过程中J积分与伸张区宽度(stretch zone width,SZW)间关系的一条直线,在J积分测试中,有效数据区的左右界限线以及确定延性断裂韧度JⅠC的偏置线都是建立在钝化线基础上的,因而钝化线在J积分测试中至关重要。通过对裂尖钝化过程的分析,基于D-B模型和J积分的路径无关性原理推导出一种钝化线方程。与现行标准中的钝化线相比,此方程与试验结果吻合得更好。

基于线化稳定性理论的后掠翼边界层内横流稳定性研究

采用Mack方法求解忽略曲率和压缩性的三维线化稳定性方程(Orr-Sommerfeld方程),针对无限展长后掠翼,计算分析边界层内不同波长横流驻波沿弦向的放大率,确定最不稳定波的波长。计算结果与参考文献中的实验结论和计算结果符合较好,表明该方法能够准确的预测出最不稳定波的波长,可以用来指导横流驻波主导下的后掠翼流动稳定性问题研究。

耦合RANS/LES模型与LEE方程的气动噪声混合预测方法

耦合湍流速度生成模型与线化欧拉方程,建立了气动噪声混合预测方法。该混合方法的湍流速度生成采用了非定常求解NS方程方式,为声传播方程提供了可靠的源项。声源的传播计算选用线化欧拉方程,其时空离散采用低色散低耗散高阶格式,远场边界选用了无分裂形式的理想匹配层边界条件。流场网格与声场网格的湍流速度信息交换采用了高阶插值算法。针对空腔标模M219的气动噪声预测,分别采用了统计声源与声传播(SNGR)方法、RANS/LES+LEE方法进行了计算分析。通过对比声源的分布、量级,以及监测点的声压曲线及声压级频谱曲线,分析可得出:RANS/LES+LEE方法能准确捕捉空腔各阶模态的声压级峰值。经数值模拟结果与实验结果的对比,表明RANS/LES+LEE方法相比于SNGR方法更适合模拟空腔这类流激振荡现象引起的声传播问题。

气动声学计算中一种声扰动方程的改进

研究了气动声学计算中的一种改进声扰动方程(IAPE)。采用三种不同的声传播模型,数值分析了声在均匀流以及剪切流中的传播问题。与线化欧拉方程(LEE)相比,除了个别位置预测的压力峰值较小以外,声扰动方程(APE)几乎能够预测到类似的物理特性;另外,APE方程具有无需求解密度方程,计算成本相对较少等优点。为弥补APE方程预测压力峰值较小的缺点,通过分析APE方程,这类方程中需要加入剪切流与声波相互作用的源项。为此,对APE方程进行改进,加入了一种声源项,计算结果表明,改进的APE方程(IAPE)能够和线化欧拉方程的计算结果保持一致。

建议一种新的摄动方法

在本摄动方法中，未扰方程或约简方程为原方程的线化方程，因此其初始近似就较好地接近真解．本方法具有直接展开法的优点，又可以避免出现长期项．

基于SNGR方法的二维空腔噪声数值模拟

基于SNGR方法,采用有限差分法求解带源项的线化欧拉方程。数值方法采用色散关系保持(DRP)格式。低耗散色散龙格-库塔格式显式时间推进,采用无反射远场边界条件。对二维空腔,长深比为9∶1,在亚声速、跨声速和超声速多个马赫数下进行噪声预测,并与实验结果对比,两者吻合较好。

温度对SA508-Ⅲ钢焊缝金属断裂韧度的影响

为了获得温度对SA508-Ⅲ钢焊缝金属断裂韧度的影响,采用本构曲线法(CCM,constitutive curve method)、ASTM和ISO标准对焊缝金属在典型温度下的试验数据进行了处理.结果表明,采用CCM获得的断裂韧度随温度的升高而降低.当温度从20℃升高到100℃,从100℃升至320℃时,断裂韧度分别降低了11.1%和5.4%.采用扫描电镜观测试样断口形貌发现SA508-Ⅲ钢焊缝金属在典型温度下均呈韧性断裂,当温度达到100和320℃时,韧窝变浅变小,因此韧性出现了一定的下降.研究还发现,采用CCM获得20和100℃时的断裂韧度与ASTM一致;获得320℃时的断裂韧度介于ASTM和ISO之间.

应用随机模型方法预测汽车风噪声

采用随机模型方法,对简化汽车头部外形进行风噪声数值模拟.将计算区域分为声源区域和传播区域,在声源区域采用随机模型构造湍流脉动速度场,传播区域通过求解带源项的线化欧拉方程实现声波向外传播得到声场解.同直接模拟方法相比,该方法具有计算量小、计算所需内存少等优点.数值模拟结果与实验数据吻合较好,验证了该方法预测汽车风噪声的可行性,为研究实际汽车外形的风噪声问题打下基础.

MEMS稀薄气体内部流动模拟中的信息保存(IP)法

首先综述了处理低速稀薄气体流动的一些方法：线化Boltzmann方程方法、Lattice Boltzmann方法(LBM)、加滑移边界的Navier-Stokes方程、以及DSMC方法,并讨论它们在模拟MEMS中过渡领域低速流动特别是内部流动所遇到的困难,其中表明了LBM现有方案不适合模拟过渡领域中的MEMS流动问题。信息保存(IP)法通过保存一个模拟分子所代表的大量分子的平均信息,克服了流速低使得信息噪声比小而引起统计模拟的困难。本文给出了方法的一些理论证实。MEMS中内部流动的特点,即流速低和大的长宽比的特点,引起椭圆性问题,即出入口边界条件相互影响需要协调的问题。通过对(长约几千微米的)微槽道流动应用IP方法的算例,演示了采用守恒形式的质最守恒方程和超松弛法可成功地解决这一问题。借助同样的方法,用IP方法求解了真实长度(1000μm)硬盘驱动器读写头在过渡领域的薄膜支撑问题,压力分布与具有严格气体动理论基础的概括化Reynolds方程完全相符,而在此之前,DSMC方法只对短的读写头(5μm)与Reynolds方程做了校验．作者建议将原来用于求解读写头润滑问题的Reynolds方程退化来求解过渡领域中的微槽道流动问题,从而提供了一个有严格气体动理论品性的检验方法来验证求解MEMS内部流动的各种方法。

实验确定J_(1C)试验启裂韧度的SZW细观测量法

采用扫描电镜测量裂尖伸张区宽度的方法确定J_(IC)试验的表观启裂韧度,并通过对伸张区宽度SZW和应力应变场强度参量J、有效屈服强度σY之间的定量关系研究,得出了实测钝化线方程SZW=CJ/σY,C为材料常数。

不同温度下金属材料断裂韧度数据处理方法研究

金属材料断裂韧度测试标准主要采用的是美国ASTM E1820和国际ISO 12135标准,然而其通过处理测试得到的J-Δa数据获得JIC的方法具有明显的区别。主要研究如何对J-Δa数据进行处理以获得合理的JIC值,基于材料本构模型特点提出了在不同温度下金属材料断裂韧度数据处理方法,即本构曲线法(CCM);以金属材料(国产SA508-Ⅲ钢)在不同温度下的断裂韧度数据为例,采用CCM数据处理方法对材料的断裂韧度进行分析计算,并与ASTM E1820,ISO 12135标准进行了比较。结果表明,CCM得到的材料断裂韧度在ASTM E1820,ISO 12135标准数据之间,对于理想弹塑性材料,其CCM结果与ASTM E1820标准结果一致;对于在不同温度下会表现出不同本构特性的金属材料,选用CCM能够获得其在不同温度条件下更合适的断裂韧度。

计算气动声学高阶差分格式的GPU并行实现

以圆管构型的声传播为分析对象,研究了基于图形处理器GPU的计算气动声学(Computational Aeroacous-tics,CAA)高阶有限差分算法的并行实现,并与CPU串行及MPI并行实现作了对比分析。首先介绍了管道简化模型的2.5维线化欧拉方程和GPU的编程模式以及调优参考准则,然后给出了相关物理量的空间离散方法的GPU实现。数值实验的结果表明,与CPU串行及MPI并行程序的结果相比,使用GPU的程序实现在达到与MPI并行同样的计算效率时,可以使用更少的计算资源。较之cluster上串行算法,工作站上GPU并行算法在使用不同网格规模的情况下可达到的3倍多的加速比。

黏弹性血管脉动血流在法推拿作用下的切应力分析

建立具有局部轴向运动狭窄的黏弹性血管中脉动血流模型,模拟研究中医法推拿的血液动力学机理.设血液为牛顿流体,血管壁为线性黏弹体.在法推拿作用下血管受水平外力作用形成轴向运动缓变狭窄,血流遵循线化Navier-stokes方程.数值计算结果显示:黏弹性血管在法作用下,运动狭窄后部血管段最大切应力以及距离血管入口31 cm处的平均切应力、最大切应力以及瞬时切应力随着黏性系数和手法频率的改变而有较大变化,并且有明显的相位移动.

一种基于谱方法的三维热声不稳定模型

研究流体的流动参数,包括热源热释放的周向不均匀分布对热声不稳定现象的影响,将欧拉方程进行线化处理之后,对轴向和径向方向进行基于切比雪夫多项式的谱离散,周向方向则进行基于傅里叶多项式的谱离散,建立了一种三维热声不稳定数值模型.通过对圆柱管道共振频率以及声场的求解,进行了一系列算例的验证,证实了该方法的可靠性,并且通过热释放温度周向非均匀的算例,证实了某些周向对称分布参数下,可以使用截面平均的集总参数来代替非均匀分布参数;而在非对称的分布情况下,当周向不均匀分布很强烈的时候,这种使用截面平均参数的近似算法会带来偏差.