计算动力学中的伪弧长方法研究

动力学问题通常采用微分方程来描绘,但由于工程实际问题的复杂性,微分方程模型常伴随着解的不连续性、刚性或激波间断奇异性特点,传统方法很难求解,奇异性问题是计算动力学难点,同时也是国内外学者研究的热点.伪弧长数值算法是针对计算动力学中的奇异性问题所提出的,其基本思想为通过在解曲线上引入伪弧长参数,并增加一个约束方程,在伪弧长参数作用下,使得原始离散单元发生扭曲形变,从而达到消除或减弱奇异性的目的.本文首先介绍伪弧长方法求解定常对流-扩散方程的奇异性问题,并提出针对双曲守恒定律的局部伪弧长算法,其思想在于首先通过间断解的梯度变换来确定强间断所处位置,进而通过局部网格点重构以及数值修正来达到强间断处奇异性消除与降低的目的.针对高维问题,提出全局伪弧长方法,通过对整个计算区域内的网格点进行重构,使得所有网格点向奇异间断点处移动,从而降低间断点的影响域,达到降低奇异性的目的.重点讨论了三维全局伪弧长算法问题的计算难点,即三维空间网格扭曲大变形导致的数值算法不收敛,并提出在算法设计过程中采用分块重构与整体计算相结合的策略,实现了三维空间中的伪弧长数值算法,最后通过数值实验来验证伪弧长算法对于奇异性问题的有效性.

用创新计算动力学研究神经网络的组合创新

创新计算动力学研究创新的基本规律,不仅为创新的机械化实现奠定基础,也为人类的创新活动提供规则化支持。文中利用创新计算动力学的基本定律研究神经网络技术的组合创新活动,归纳了组合创新的重要前提,同时证明了神经网络的组合创新过程是符合创新计算的基本定律之联想与组合定律。最后,提出了相似组合、对立组合和信息域关联组合三种具体的组合创新模式。由于创新活动的广泛性和创新计算动力学的一般性,它们对于神经网络的未来发展以及其它理论或技术的创新都具有一定的启发意义。

应用计算流体动力学方法估测医院急诊大厅颗粒物分布特征的研究

目的基于室内场所的空间几何构型、风速、颗粒物浓度和环境温度测量值,阐述空气中颗粒物浓度、悬浮时间等分布规律。方法现场测量医院急诊大厅的空间及其中大型设施的尺寸,测量环境中颗粒物数量浓度、温度、风速,场所空间尺寸用于构建模型,环境检测参数用于确定模型的边界条件和验证模型的正确性。基于格子波尔曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)计算颗粒物运动,应用对流扩散方程计算空调送风系统出风口处颗粒物浓度的变化,离散相模型(discrete phase model,DPM)用于计算颗粒物在流场的运动情况。结果环境检测表明空调送风系统出口风速与室内颗粒物数量浓度呈负相关,人群聚集的候诊区颗粒物数量浓度高于诊室(P值均<0.05)。通过建立的数学模型进行仿真计算,仿真相对浓度未超过实测相对浓度的x±s范围,候诊人群使局部颗粒物浓度升高,候诊区人员咳嗽呼出气中的颗粒物可以在15 s内传播给周围的人,呼出气中60%的颗粒物悬浮时间可持续几分钟或更长时间。结论改变模型中的空间几何尺寸和环境检测参数可以用于计算不同室内场所中颗粒物的分布情况,仿真结果与实测结果具有可比性,数学计算结果可支持环境呼吸危害防控管理措施的制定。

基于计算流体动力学技术评估动脉瘤性蛛网膜下腔出血后迟发性脑缺血风险

目的基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术,探究动脉瘤性蛛网膜下腔出血(anauryrmal subarachnoid hemorrhage,aSAH)后颅内血流动力学早期变化与迟发性脑缺血(delayed cerebral ischemia,DCI)发生的潜在关系。方法本研究前瞻性收集经CTA(CT Angiography)诊断并经DSA(Digital Subtracted Angiography)或手术证实为颅内动脉瘤破裂的患者。收集患者的临床和术前、术后的头颅CTA数据。基于患者的CTA原始图像构建个体化颅内血管模型,基于CFD技术模拟计算术前、术后的压力和壁剪切应力(wall shear stress,WSS)及PR(pressure ratio)、WSSR(WSS ratio)。通过随访影像学或临床体格检查判断是否发生DCI,并分为DCI组和无DCI组,分析比较两组间临床资料及血流动力学参数差异及其与DCI相关性。结果共入组51例患者,其中DCI组共15例患者(29.4%)DCI组较无DCI组,入院时收缩压(170.87±20.28 vs.1.58.19±28.06,P=0.037)、Pressure术后(19735.10±860.18vs.14606.06±11260.28,P=0.010)和PR(1.58±0.01vs.1.37±2.12,P=0.012)均较高。单因素分析显示血流动力学参数均无统计学差异,而多因素分析显示Pressure术前(OR=1,95%CI:0.999~1,P=0.017)、Prassure术后(QR=1.00.1,95%CI:1~1.001,P=0.007)、WSS术前(OR=1.096,95%CI:1.002~1.198,P=0.045)和WSS术后(OR=0.888,95%CI:0.806~0.979,P=0.017)对DCI的影响有统计学意义。ROC曲线显示,基于Pressure术前、Pressure术后、WSS术前及WSS术后模型对DCI的识别效能AUC为0.794,敏感度为73.33%,特异度为86.1%。结论aSAH后颅内血流动力学早期改变与DCI发生有关。

面向缪子成像的计算神经动力学算法

基于缪子成像中需考虑被测物体密度的双端约束以及噪声对探测数据的影响,提出一种面向缪子成像的计算神经动力学算法,可保证结果处于约束范围内.理论分析结果表明,在无噪声或恒定噪声的情况下,该算法全局收敛于缪子成像的理论解,并能有效抑制随机噪声.仿真结果表明,该算法在求解缪子成像问题时具有有效性和优越性.

矿用隔爆型干式变压器温升的计算流体动力学仿真分析

为解决矿用隔爆型干式变压器温升计算存在偏差的问题,本文作者使用计算流体动力学仿真软件对矿用隔爆型干式变压器的温升进行仿真分析,与实际温升试验数值进行对比,最终仿真数据值与实际值基本一致。

飞秒激光作用TATB的大尺寸分子动力学模拟

深入认识炸药在飞秒激光作用下的快速化学反应机制和热力响应特征,是发展飞秒激光加工炸药技术的基础。采用分子动力学方法,基于ReaxFF/lg反应力场,对不同飞秒激光能量作用于三氨基三硝基苯(TATB)炸药的过程进行亚微米级大尺寸反应分子动力学模拟,考虑炸药对飞秒激光的非线性吸收过程,分析炸药烧蚀去除机制、产物演化和热力响应规律。计算结果表明:不同强度的飞秒激光对TATB的烧蚀去除机制不同,当激光强度为6.79×10^(17) W/m^(2)时,TATB发生等离子体烧蚀,产物以小分子或等离子体为主;当激光强度为3.39×10^(17) W/m^(2)时,TATB发生不完全反应,产物以大分子或团簇为主;当激光强度为1.69×10^(17) W/m^(2)时,TATB发生光机械烧蚀,以完整分子形式被剥离去除;激光强度越高,烧蚀产物的温度和粒子速度越高,对烧蚀区周围的热力响应越严重,有引发点火的风险。

进口防旋板对汽轮机交错齿迷宫密封泄漏特性和动力学特性影响研究

为提高汽轮机高压缸和中压缸之间过桥汽封的气流激振动力学性能、抑制汽轮机轴系振动失稳,针对交错齿迷宫密封,开展了进口防旋板结构方案设计和动力学性能评估研究。首先,建立了具有“虚拟旁路边界”的交错齿迷宫密封动力学计算模型,实现了对动密封进口压力场和高预旋速度场的精准模拟;然后,采用基于多频椭圆轨迹涡动模型的非定常计算流体动力学(CFD)摄动数值方法,对比分析了进口预旋(预旋比为0、0.3、0.5)对无防旋板结构的迷宫密封的动力特性系数的影响规律;最后,详细评估了不同进口防旋板结构方案的止旋抑振性能,比较分析了防旋板倾角和数量对迷宫密封的泄漏量、动力特性系数和周向旋流比分布的影响规律。研究结果表明:迷宫密封泄漏量对防旋板倾角和数量变化不敏感(泄漏量变化小于0.5%);进口预旋会导致迷宫密封交叉刚度和有效阻尼穿越频率增大、有效阻尼减小,易诱发轴系失稳;进口防旋板能够显著减小迷宫密封的交叉刚度(约为53%)和有效阻尼穿越频率(约为24 Hz)、增大有效阻尼,使密封泄漏量略有增加(约为4.5%);相较于直防旋板,45°倾角斜防旋板使密封交叉刚度进一步降低约14%,有效阻尼穿越频率变化较小;当防旋板数由36增加到72时,密封交叉刚度降低约24%,有效阻尼穿越频率减小约5 Hz;而当防旋板数由72增加到144时,密封的转子动力特性对防旋板数变化不敏感;综合考虑加工成本和止旋抑振性能,具有72个直防旋板的迷宫密封进口防旋板结构方案最优。研究结果可为交错齿迷宫密封防旋板设计提供参考。

颈动脉斑块血流动力学成像技术及新进展

颈动脉粥样硬化性狭窄是引起缺血性脑卒中(ischemic stroke,IS)的主要疾病之一,尽早发现狭窄并识别易损斑块可以显著改善疗效,降低致死率和致残率。血流动力学改变与斑块的形成、发展、破裂有着密切关系。利用血流动力学参数来评估动脉粥样硬化斑块破裂的风险及指导临床治疗方式的选择已经成为动脉粥样硬化精确诊疗的研究焦点。然而,血流动力学参数与斑块相互作用的机制尚未被完全阐明,血流动力学相关影像学技术也未广泛开展。本文通过对既往文献进行回顾,进一步梳理颈动脉斑块血流动力学的影像进展,以及血流动力学变化与斑块形成、发展、破裂之间的相互作用机制,并探讨了这些特征与缺血性卒中的关系,旨在评估综合分析斑块成分和血流动力学对颈动脉粥样硬化性狭窄引起脑卒中事件的预测价值。

旋风炉空气动力学和烟气再循环数值模拟

旋风炉作为一种液态排渣炉,其空气动力学特性与煤粉炉存在显著差异,目前尚缺乏可有效指导旋风炉设计和运行的计算流体动力学(CFD)模型。对此,开发了一种旋风炉CFD数值模型,该模型通过渣层煤粒捕集模型将熔融渣层对煤粒的捕集作用结合在模型中。将该模型应用于某550 MW机组旋风炉的空气动力学特性和烟气再循环(FGR)优化设计研究。研究表明,旋风筒产生的强旋流场使炉内流场分布极不均匀,导致了炉内局部高温和水平烟道入口的严重结渣问题。因此,FGR喷口应根据炉内的不均匀流场和温度分布进行针对性设计,以有效消除炉内的局部高温区域。模拟计算和现场实施结果表明,通过FGR优化设计,炉膛局部高温和严重结渣问题得到了有效缓解。

基于个体化计算机流体动力学方法评估阿尔茨海默病脑血流动力学改变

目的基于阿尔茨海默病(Alzheimer disease,AD)患者和认知功能正常对照者影像学数据构建个体化计算机流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)模型,并定量评估受试者脑血流动力学状态及其对AD的诊断效能。方法纳入AD患者30例及认知功能正常的对照34名,基于磁共振血管成像(magnetic resonance angiography,MRA)重建其几何动脉树,结合颈/椎动脉超声血流动力学参数以及同步动脉血压构建个体化CFD模型,以模拟其血流状态并计算相关动力学指标。结果AD组与对照组相比,年龄[(75.33±8.93)岁vs.(68.12±10.73)岁]、体质指数[(22.89±3.41)kg·m^(-2)vs.(24.48±2.90)kg·m^(-2)]、尿酸[(265.17±80.36)μmmol·L^(-1)vs.(323.15±89.70)μmmol·L^(-1)]、白蛋白[(38.29±4.22)g·L^(-1)vs.(40.46±3.62)g·L^(-1)]、脑血流量(cerebral blood flow,CBF)[(10.14±3.10)cm^(3)·s^(-1)vs.(12.73±3.42)cm^(3)·s^(-1)]、脑血管阻力(cerebrovascular resistance,CVR)[(10.72±4.12)dyn·s·cm^(-5)·1000 vs.(8.21±2.38)dyn·s·cm^(-5)·1000]的差异有统计学意义(P<0.05)。AD组颅内动脉血管体积分别与CBF(r=0.493,P=0.006)和颅内血管出口数目(r=0.519,P=0.003)呈正相关,CVR与CBF呈负相关(r=-0.826,P<0.001)。logistic回归分析显示,AD患病与年龄(OR=1.083,95%CI:1.014~1.157,P=0.017)和CBF(OR=0.803,95%CI:0.652~0.989,P=0.039)有关联。ROC曲线分析显示,CVR、CBF区分两组的曲线下面积分别为0.687、0.709(P<0.05)。结论年龄增加和CBF减少是AD独立危险因素。个体化CFD模型测定的CVR升高和CBF减低对AD诊断具有价值,该无创、无放射性定量测定脑血流动力学的方法值得临床推广。

计算热力学、计算动力学与材料设计

自20世纪50年代发展起来的计算热力学从早期的计算机耦合相图和热化学性质(CALPHAD-CALculation of PHAse Diagram,或Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry),逐渐向动力学领域扩展,建立起有机集成了计算热力学理论的以多元扩散相变模拟、形核析出模拟和相场模拟为特色的计算动力学方法.同时,结合实验数据、第一性原理计算、统计学方法及经验半经验理论,运用CALPHAD优化评估技术,建立适用于多元多相材料的热力学、动力学以及物理性质的材料设计基础数据库.这种面向多元多相材料体系的计算热力学、动力学方法和专用数据库的结合,使模拟真实材料的相变过程和显微组织结构演化成为可能.进一步以计算热力学、动力学为桥梁,将电子、原子和分子等微观尺度和宏观层次的计算模拟联系起来,构建多尺度集成计算平台,建立多元多相材料的成分工艺-组织结构-性能之间的定量关系,加速材料的开发和应用.这是新材料理性设计和定制的崭新手段,也是集成计算材料工程(ICME)和材料基因组计划(MGI)的目标.本文将介绍计算热力学和计算动力学的基本理论、应用、发展现状及前景展望.

基于计算流体动力学方法的气温观测仪器设计与辐射误差研究

受太阳辐射影响,地面气温观测仪器测量值与自由空气真实温度偏差较大,误差达1℃量级。基于此,文章设计了一种既可以有效阻挡太阳辐射直接照射测温探头,又可以引导气流流向测温探头的地面气温观测仪器。经实验验证,文章研制的气温观测仪器的测量结果与基准值之间的平均绝对误差和均方根误差分别为0.030℃和0.035℃,达到了0.1℃量级的技术要求。

基于计算流体动力学CFD的电力工程仿真设计

阐述计算流体动力学CFD的原理,电力工程仿真模型的特点,电力工程仿真的计算方法,提出基于CFD的电力系统仿真的几种模型。基于工程实例,探讨不同类型的电力工程仿真计算过程,包括网格划分及网格独立解、计算参数设置、计算结果分析,验证CFD方法在电力系统中的应用。

基于MRI和血流动力学仿真的主动脉缩窄计算机辅助诊断系统

目前用于心脑血管系统疾病的计算机辅助诊断系统比较少,本研究基于参加欧盟FP7 euHeart项目所做的工作,以对主动脉缩窄的处理为例,介绍一个基于核磁共振成像(MRI)和血流动力学计算的心脑血管疾病计算机辅助诊断系统,对系统的结构、功能和工作流程进行详细描述。该系统以患者病变血管的MRI图像和在颈动脉和股动脉处测得的血压波形为输入信息,通过图像处理模块、生理数据处理模块、计算网格生成模块以及流体动力学计算模块对这些数据进行分析处理,输出跨缩窄段的压差以辅助评估对患者进行干预手术的必要性,并输出病变血管段的流速分布、剪切应力分布等血流状态信息用于估算血流异常对血管内皮以及血细胞造成潜在机械损伤的程度。以一个典型病例的处理结果为例,对所开发的系统进行初步测试,结果表明所开发的系统运行结果准确可靠。本系统对于开发其他心脑血管疾病计算机辅助诊断系统具有借鉴意义。

飞秒激光作用下RDX/HTPB混合炸药界面反应的分子动力学模拟

为研究混合炸药在飞秒激光作用下界面上的反应特征,构建了RDX/HTPB混合炸药体系的计算模型,基于ReaxFF-lg反应力场,对其在飞秒激光作用下的响应过程进行了反应分子动力学模拟,分析了计算体系的温度、密度变化以及界面上的化学反应特征.结果表明:从HTPB和RDX两端加载激光能量时,RDX/HTPB体系界面上没有明显的温度突变,温度呈现平稳过渡的变化趋势.激光能量越高,HTPB和RDX反应越剧烈,在界面上HTPB分解产生的H或C原子与RDX分解的小分子产物发生化学反应,生成了CO、C_(3)O、C_(2)O_(2)、C_(2)HO、NH_(2)、NH_(3)等中间产物和H_(2)O、CO_(2)、H_(2)等终态产物;激光能量较低时,RDX和HTPB各自反应不充分,RDX区域仍有大量未分解的环状分子存在,HTPB区域主要是长碳链形式的大分子,两者界面区域分解产物间发生的反应较少.

叶轮机计算流体动力学技术现状与发展趋势

通过对 863高负荷风扇、2 0 0MW汽轮机组改进、组合压气机改进和轴流大小叶片压气机的研制 ,说明了全三维定常CFD技术在我国叶轮机研究中的作用 ,并指出了当前的主要问题 ;通过对风扇 -吊架干扰 ,单级压气机和处理机匣的研究 ,说明了非定常CFD技术对叶轮机气动力学研究的作用和价值。结合上述全三维定常和非定常CFD应用的实例 ,论述了我国叶轮机CFD技术面临的挑战 ,及其发展趋势。

迷宫滴头水力特性的计算流体动力学模拟

建立了迷宫滴头的CFD(ComputationalFluidDynamics)数值模型,并对滴头的压力流量关系、流道内部的压力和流速分布进行了数值模拟计算。利用原型滴头和滴头放大模型实测值对模型和模拟计算结果进行了实验验证。结果表明,滴头流量压力关系模拟计算值与实测值之间的平均偏差小于5%;滴头放大模型内部压力分布的模拟值与实验值间的平均偏差小于3%。结果还表明,迷宫式滴头流道内压力沿流道长度呈线性变化,在滴头齿尖附近的主流区流速达1.6～2.8m/s,而滴头齿根附近的旋流区的流速为0.1～0.4m/s,在其它尺寸保持不变时,滴头齿距对滴头流态指数的影响不大。CFD数值模拟可以为滴头水力性能的进一步研究提供有效的研究手段。

全射流喷头内部流场计算流体动力学数值模拟

建立了全射流喷头内部流场的CFD数值模型,并对喷头的流量压力关系、喷头附壁情况下附壁点的位置进行了数值模拟计算。CFD计算值与实验测量值对比结果表明,CFD计算得到的3种喷头流量值与实验测量值的平均偏差小于5%,附壁点计算值与实验测量值平均偏差小于5%。说明采用CFD方法能较好地反映喷头的内部流动情况,根据数值模拟最终得到全射流喷头内部流场在直射和附壁状态下的速度矢量图。

轿车空调风道的计算流体动力学分析

本文利用三维不可压缩流体的k-ε湍流模型,借助计算流体动力学(CFD)方法,建立了结构复杂的轿车风道模型。以某典型轿车空调系统风道为例,分别在制冷、取暖工况下,对其主体部分的流动特性进行分析,部分分析结果与实验进行了对比。