高土石坝宏细观坝水动力流固耦合理论研究进展

高土石坝遭遇强烈地震时会与坝面库水及坝内孔隙水发生动力流固耦合相互作用,分别从宏观坝水耦合系统和细观水土耦合系统两个角度对高土石坝坝水动力流固耦合理论的研究历史、主要研究成果和研究趋势进行了阐述评价。对宏观尺度的大坝与坝面库水流固耦合作用,主要从早期坝水相互作用模型、库水运动精细分析方法以及流固耦合系统坐标描述等方面做出评述;对细观尺度的坝内水土耦合作用,主要从早期解耦或拟耦合的水土动力分析方法、基于Boit动力固结理论的细观水土动力流固耦合,以及基于混合物理论的细观水土动力流固耦合等方面做出评述。综合两个尺度的流固耦合作用研究现状,建议对高土石坝建立水库-土石坝-孔隙水的宏细观整体动力流固耦合系统进行综合研究,并指出了当前高土石坝宏细观坝水动力流固耦合理论尚待继续深入研究的若干相关问题。

转子轴向碰摩非线性流固耦合动力学特性全自由度分析

基于Jeffcott转子模型,用六自由度方法研究了考虑涡轮非线性流固耦合力的转子轴向碰摩动力学特性。通过响应分叉图、波形图、频谱图、轴心轨迹和Poincare图分析了在涡轮非线性流固耦合力作用下转子轴向碰摩的动力学表现。分析表明,非线性涡轮叶尖间隙流体激励力对转子轴向碰摩的非线性特性影响不很明显,只是在低转速时轴向振动碰摩响应中会出现更高阶的偶数倍频的超谐波成分。在高转速情况下,碰摩响应的波形和频谱不能明显反映具有弱非线性的涡轮叶尖间隙流体激励力对轴向碰摩非线性动力学特性的影响,而轴心轨迹和Poincare图则能反映这种影响,反映出碰摩响应中出现的轻微混沌。

悬臂输送管道流—固耦合动力学系统的直接解法

根据变分原理导出了输送管道(流—固耦合问题)自由振动的变分方程,采用直接解法求出了输送管道自由振动的固有频率和极限流速。

基于三维流-固耦合模型的油井出砂细观机制研究

油井出砂机制的研究是提高油藏产能和石油开采成本减小的关键课题,而常规的宏观力学理论和方法不能全面反映油藏开采过程中油井出砂的发生和发展。鉴于砂岩储层的物理性质和射孔试验特征,从岩土力学的角度建立基于柱坐标系的三维颗粒流数值模型,与理论分析成果进行比较,以说明该细观数值模型可行性,有效地模拟出砂过程中的渗流及流-固耦合效应。在该基础上,综合考虑流体压力梯度力和拖曳力,基于PFC3D模型模拟流体不同运动时的砂岩性态。数值分析得到的模型宏观应力图形说明流体运动对砂岩力学特性的影响不可忽略,且在相同条件下,流量越大,砂岩的塑性区越大,形成砂岩破坏出砂的几率也越大。同时,不同工况的砂岩黏结分布和颗粒转动图形表明,相同条件下流量越大,颗粒间平行黏结破坏越多,颗粒转动越大,失去黏结约束的颗粒也越多,出砂量就越大,可见两种细观特征图形与宏观应力图形变化规律一致,该模型可用于油井出砂机制的研究,可为出砂量预测及出砂控制提供新的研究思路。

汽轮机轴承动力特性三维流固耦合分析模型

为了研究汽轮机转子-轴承系统非线性动力特性,从三维流体方程出发,建立了考虑轴承与转子之间耦合作用的有限元分析模型。分析指出轴承流场由轴颈旋转和振动决定:当轴颈位置固定时,流场是转速和振动的线性函数;线性函数的系数是轴颈位置的非线性函数;文中进一步对转子-轴承系统动力特性进行了分析。指出油膜压力振荡幅值随轴颈振幅的增大而非线性增大。应用该模型比较好地模拟了两种不同情况下油膜失稳故障的发生与发展过程。

排架式渡槽流—固耦合动力特性分析

本文分析了排架式渡槽横向流—固耦合动力特性 ,计算结果表明 :排架式渡槽流—固耦合系统的模态可分为两类 :一类为“流体振荡模态” ,以流体的晃动为主 ,反映了流体固有晃动模态在耦合系统中的影响 ;另一类为“结构振荡模态” ,以结构的振动为主 ,反映了结构固有振动模态在耦合系统中的影响 .提出了两种特征值问题的计算方法 ,将其应用于实例计算 ,讨论了两种方法的优缺点 .

动脉内流-固耦合作用下两相血流动力学数值模拟

目的研究流-固耦合作用下左冠状动脉内一个心动周期典型时点两相血流动力学分布及红细胞分布,探索左冠状动脉粥样斑块形成与发展机制。方法将血液视为两相流体,基于血液与血管壁间流-固耦合作用,采用计算流体力学方法对左冠状动脉内两相血流进行瞬态数值模拟,研究一个心动周期内典型时点左冠状动脉内血流分布特性,血流动力学特性参数与动脉粥样斑块形成的相互作用关系。结果左冠状动脉回旋支远段和钝缘支近心端外侧存在低速涡流区,该区域内壁面切应力和红细胞体积分数均较小,血流流态复杂。结论壁面切应力较小的低速涡流区易产生脂质浓度极化、大分子物质沉积,红细胞较少区域易发生缺氧,引起血管壁通透性增加和内膜损伤,激活免疫系统,导致血管壁物质累积和内膜生长,从而易诱发动脉粥样硬化斑块形成。

流-固-热多物理场耦合作用下安全阀密封性分析

针对弹簧式安全阀快速回座使得阀盘与喷嘴之间发生冲击进而导致密封结构破坏的问题,提出了考虑流-固-热多场耦合的阀门冲击过程分析方法。建立了用于安全阀瞬态过程仿真的CFD模型,同时针对弹簧式安全阀的固体结构建立了有限元模型,并开展了热力学、静力学与动力学仿真和试验对比。结果表明,仿真和试验所测得的阀瓣位移的变化趋势一致,两者偏差为9.86%,最后时刻的阀瓣速度偏差为3.70%,冲击力两者的偏差为6.94%;随着介质压力增大到18.50 MPa,阀盘最大应力和最大接触压力都呈现了先减少、再增大的趋势,同时,密封面实际接触位置由外圈过渡到内圈。研究结果可为安全阀前期设计提供依据。

转子径向碰摩非线性流固耦合动力学特性全自由度的动态分析

基于Jeffcott转子模型,用6自由度方法研究考虑涡轮非线性流固耦合力的转子径向碰摩动力学特性。通过响应分叉图、波形图、频谱图、轨迹、Poincaré图以及频率瀑布图分析在涡轮非线性流固耦合力作用下转子径向碰摩的动力学表现。与不考虑涡轮非线性流固耦合力相比,转子的径向碰摩的稳定运动区大大减小,转子的碰摩转速门槛值也相应降低,并且碰摩一开始系统振动就出现比较复杂的运动形式;轴向振动的频谱中明显出现了密集的超谐波群,扭转振动的频谱中则明显出现了密集的亚谐波群,这种具有混沌特征的频率成分代表了系统在碰摩力和涡轮非线性流固耦合力作用下的主要运动形式:在整个转速范围内,横向振动几乎具有单一的同步频率成分,轴向振动则表现出非常丰富的超谐波频率成分,这些频率成分主要分布于三个随转速的增加分别向三个固定的频率逼近且幅值逐渐升高的密集超谐波频带,扭转振动则在1/2倍频附近表现出丰富的亚谐波频率成分,其幅值也随转速的增加而逐渐升高。上述结论对涡轮转子系统的动力学设计和故障诊断具有重要意义。

应用流固耦合方法的鸡蛋动力学特性研究

根据模态与声测实验,确定了一阶模态振动为鸡蛋动力学分析特性参数,应用有限元流-固耦合方法分析了鸡蛋的结构动力学响应。以此为基础,将鸡蛋构成组分的各物性参数作为自变量,蛋体结构动力响应的一阶模态频率为因变量,比较分析了不同物性参数条件下鸡蛋动力学响应的变化规律。结果表明:鸡蛋各物性参数中蛋形参数、蛋壳厚度、蛋壳弹性模量、蛋白液密度变化的影响效应较为显著。蛋形参数与蛋体结构一阶模态频率间符合弹性体振动的质量-频率关系;蛋壳增厚0.05 mm,蛋体一阶模态频率增大300 Hz,呈线性规律;蛋壳弹性模量每增加1×10~10Pa,结构一阶模态频率减少430~850 Hz;蛋白液密度每增加100 kg/m^3,结构一阶模态频率减少100~300 Hz;蛋壳弹性模量与蛋白液密度的影响表现为非线性规律。

基于计算流体动力学法的风场模拟和流/固耦合问题

介绍了计算流体动力学(CFD)方法中的各种湍流模型和数值求解方法,阐述了流/固耦合问题的描述方法与求解策略,分析了强耦合算法和弱耦合算法、流场和流/固耦合研究中的网格生成与更新技术,以及耦合界面的信息传递方法,指出了其网格建模中存在的一些难题.

考虑流—固耦合效应的基坑水土压力计算

深基坑开挖基坑内外产生水位差,地下水绕过围护墙底部向基坑内渗流影响围护墙上的水土压力分布。本文总结了基坑围护墙上水土压力的计算方法,针对基坑周围土体成层分布的特点,分析了传统的水土压力分算、合算以及考虑渗流影响的水土压力分算方法。利用岩土工程有限元方法,通过渗流—应变耦合来计算渗流条件下的水土压力,结合工程算例,比较了传统水土压力计算方法与有限元方法的计算结果以及与实测土压力的差别。发现考虑固结变形的水土压力计算值与实测值能很好地吻合,而传统的水土压力计算结果与实测值偏差较大,其计算的假定条件存在误差以及没能考虑渗流和不同开挖工况的影响。考虑渗流—固结耦合的有限元方法能综合考虑不同土层和边界条件以及基坑围护墙的受力条件与变形的影响,其计算的水土压力分布是合理的。

考虑流-固耦合的输水隧道动力模型试验中的一种相似技巧

结构动力模型试验与动力模型破坏试验中,保持模型与原型相似的3种基本要求与处理技巧已在相关文献中提及。同时,也提及了对结构动力特性、弹性振动响应与破坏形态等试验目的不同,相似要求也有所差别,而这里将对地下软土中考虑流-固耦合的输水隧道的模型试验进行数值模拟研究。根据模型试验选料的经济实用性,提出了一种相似关系和技巧,并通过实例加以验证。数值模拟结果表明:在这种具体情况下,采用这种相似关系完全可以从模型试验的数据换算到原型,以便获得更多的有用信息,为今后地下输水工程模型试验的选材拓宽了思路,并提出了一些新的概念。

水流作用下水利工程闸门的动力特性研究

在水利工程中,闸门用于控制水流和调节水位,但传统模型无法准确描述闸门的复杂响应。为此,研究利用流固耦合模型,分析水流作用下闸门的动力特性。结果显示,当开度为0.4时,振型云图表现出复杂的模式,闸门的下半部分呈现出更为明显的振动;与传统模型相比,研究模型在水深100 m时的最大拉应力在0.78~2.7 MPa之间,表明研究模型可为水利工程闸门的设计和优化提供重要的参考依据。

水基动力无杆抽油系统流—固耦合有限元分析

水基动力无杆抽油系统是一个全新的抽油系统,系统受力变形是失效的主要因素之一,因此对此新型系统进行受力分析非常有意义,有助于找到系统的薄弱环节。因此针对系统的动力缸,基于流体动力学理论与流固耦合理论,运用有限元分析方法进行了系统不同压力和流速下的结构应力分析。结果表明:系统最大应力处与流体最大液压冲击处不重合,改变压力和流速都会对最大应力产生影响,且应力变化具有非线性性。研究得到了动力缸最大应力变化规律,这有利于进一步开展系统故障分析,并对系统优化设计有理论意义和实际价值。

弹射动力系统燃气发生器流热固耦合数值研究

为了判断弹射动力系统燃气发生器工作的安全性,需要预示工作过程中燃气发生器壳体的力学响应。基于软件CFX和ANSYS,建立了燃气发生器复合结构流热固耦合仿真模型。对燃气发生器内流场和结构温度场进行流热耦合计算,并将壳体温度场计算结果与试验数据进行对比,再将算得的燃气压强分布与结构温度场分布导入ANSYS以计算结构的力学响应。计算结果表明,燃气发生器工作过程中,直筒段最高温度点位于直筒段与后封头连接的绝热层缝隙处,后封头最高温度点位于后封头与喉衬配合部位的上游端。结构最高温度值仅354K,说明热防护良好;直筒段和后封头壳体主体区域应力安全系数>3,满足设计要求,而在法兰附近圆角过渡处外壁存在应力集中,最大应力处安全系数降为1.13,燃气发生器壳体仍处于安全状态,但存在安全裕度显著降低的风险。

行程敏感式液阻减振器动力学特性的三维流-固耦合有限元仿真分析

建立了缸壁槽形行程敏感式减振器较精细的三维流-固耦合动力学仿真分析模型,利用基于ALE流-固耦合、滑移网格流-流耦合的同步化迭代流-固耦合计算方法及动网格控制方法求解减振器内部的稳态及瞬态流-固耦合动力学响应,进行了部分实验验证。量化分析了缸壁槽形行程敏感式减振器的高速阻尼特性、冲击阻尼特性和活塞偏置、缸壁槽通流面积及结构变化对阻尼特性的影响,结果表明:活塞沿压缩行程方向偏置后的阻尼特性是有利的,而沿伸张行程方向偏置的状态是不利的;缸壁槽的附加泄流作用可削减减振器在地面冲击激励下阻尼力的瞬间冲击峰值;多缸壁槽形行程敏感式减振器的阻尼特性表现出单条缸壁槽作用结果的叠加效应;缸壁槽对阻尼力的减弱比例随活塞速度幅值的减小而增大;缸壁槽在高速工况下被开启及关闭的瞬态过程中伴随有阻尼力波动现象,可通过适当延长缸壁槽端部收缩段加以改善。这些分析结论对于此类液阻减振器的变阻尼特性匹配设计具有重要的价值。

维医沙疗下股动脉双向流固耦合脉动血流动力学研究

目的研究流固耦合作用下室内维医沙疗对人体股动脉血流动力学的影响,探讨维医沙疗对动脉粥样硬化成因的作用机制及对血管破裂的影响。方法在室内维医沙疗实验中对年轻健康受试者进行维医沙疗研究,对受试者心率、股动脉血流速度峰值及内径作统计学分析;重构人体股动脉三维流固耦合模型,将正弦函数作为初始条件,用Fluent软件分别对沙疗前后血液流动作非定场双向流固耦合模拟,分析维医沙疗对股动脉壁面切应力及von Mises等效应力的影响。结果维医沙疗前后受试者心率平均值分别为(76.32±11.40)次/min、(92.69±16.09)次/min,差异有统计学意义(P<0.05);沙疗前后股动脉血流雷诺数分别为1855.35、2518.43;沙疗对股动脉壁面切应力及von Mises等效应力增高的影响较为明显。结论维医沙疗可增大股动脉血流雷诺数,改善人体股动脉血液流动状态,但沙疗后股动脉血流方式由层流变为紊流,很可能会导致血管瘤,因此对血管内壁较薄弱人群要控制埋沙时间、埋沙厚度及温度。维医沙疗可增高壁面切应力,对预防动脉壁增厚引起的动脉粥样硬化及血栓形成有一定的积极作用。维医沙疗后von Mises等效应力明显增加可加大股动脉在分叉部分破裂可能,沙疗时需谨慎。

基于SPH-DEM流-固耦合算法的滑坡涌浪模拟

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法和离散单元法(DEM),并基于达西渗透试验原理,提出一种SPH-DEM耦合算法用于处理宏观尺度下离散体与流体之间的相互作用问题,并基于该流-固耦合方法采用FORTRAN语言建立滑坡涌浪数学模型。模拟了块体滑坡问题,并与试验数据进行对比以验证该耦合方法的有效性。模拟分析了离散体滑坡产生涌浪以及涌浪传播的过程,分析比较了数值模拟得到的最大涌浪高度与经验公式结果间的关系。研究表明:采用该耦合方法模拟水下块体滑坡问题得到的结果与试验数据吻合良好;模拟离散体滑坡涌浪问题时,较清晰地反映了滑坡体对水的排挤到涌浪的产生过程、水在滑坡体中的渗透过程和滑坡体与水耦合作用发生变形的过程;不同公式分析方法得到的最大涌浪高度之间均有一定差别,算例中滑坡体受重力作用沿倾斜坡面滑动入水过程更接近于潘家铮法的垂直运动模式,因此,模拟结果与之最为接近。

考虑液-固耦合的大型超高压换流变压器地震响应研究

针对大型超高压换流变压器的地震响应问题,以一超高压±800kV换流变压器为研究对象,考虑其本体中油与箱壁的相互作用建立三维有限元分析模型,采用LS-DYNA分析换流变压器的自振特性、地震作用下的动力响应规律以及换流变压器的薄弱部位。研究结果显示,对于大型超高压换流变压器,本体中油与箱壁的相互作用对结构动力响应有一定的放大作用,进行自振特性和地震响应分析时应考虑;套管体系的薄弱部位为套管的底部和中间部位,在这两个位置拉应力和压应力最大值交替出现;换流变套管体系在地震作用下的位移较大,套管顶部的导线应设置足够大的伸缩距离。