基于谱单元方法的平板冲击流固耦合研究

假设流体无粘且无旋,计及流体中的气穴现象,采用谱单元方法建立水下爆炸瞬态流固耦合的三维数值模型,探讨了水下爆炸瞬态流固耦合作用的机理,用经典的平板冲击问题对数值模型进行验证,数值结果与解析解吻合良好,并根据数值结果绘制了流体中的气穴区域,对气穴效应进行分析,分析显示,气穴效应会对结构响应产生很大影响,在计算中应予以考虑。基于所建立的数值模型,在不同网格细化的条件下,分别采用谱单元方法和有限元方法对弹簧——平板模型进行水下爆炸瞬态流固耦合问题的求解,并在此基础上对谱单元方法和有限元方法进行对比研究,研究发现,谱单元方法在提高精度的同时能大量节省计算时间,可较好地应用于水下爆炸流固耦合问题的求解中,为相关水下爆炸瞬态流固耦合的研究提供参考。

梁结构物理参数识别的谱单元方法

采用谱单元方法推导带阻尼梁的传递函数矩阵,采用一维连续梁的解析解作为动力形状函数,与有限元法相比,谱单元方法的自由度和单元数目小且计算精度高,传递函数表示为梁的几何和物理参数的超越隐函数,不同于用模态参数表示的传统传递函数,提出了采用遗传算法的结构物理参数识别方法,以变截面悬臂梁为数值算例,显示该方法的有效性。

基于谱单元方法的杆件导波数值模拟与损伤检测的时频分析

相比于传统的有限元方法,谱单元法是一种基于FFT算法的频域数值方法,它能够大大降低求解问题的阶数,在模拟高频导波在结构中传播、捕捉结构微小损伤方面尤为高效&以弯曲弹簧模型作为裂纹的数学模型,建立了裂纹杆件谱单元模型,求解高频导波激励下裂纹杆件的波动解&以短时傅里叶变换与Choi-Wniiams两种时频方法分析裂纹杆件的导波信号的能量时频分布&结果表明:短时傅里叶谱与Choi-Wniiams谱均能够准确反映导波信号的时频分布特点,可以实现结构微小损伤的定位与定量分析;短时傅里叶变换的时域分辨率比Choi-WHliams法低,但是其能量分布在时域上与导波信号的时域波形吻合更好;随着裂纹的加深,这两种时频分析方法对频域的分辨率更高.

一种三角单元谱方法研究

文中研究一种基于正方形到三角形一一映射的三角单元谱方法,给出了该方法的收敛性分析,拟插值的具体表达式,并用此方法对变系数问题作了测试.数值分析和测试结果证明了该方法的有效性.

超高层建筑结构竖向地震响应的谱单元分析

为研究脉冲型强震中的竖向分量对超高层建筑结构动力响应的影响,针对常见的框架——核心筒体系,应用谱单元分析其简化的主结构体系模型在脉冲型强震竖向分量作用下的波动效应,并与基于振动力学的动力时程分析结果进行比较.为反映结构体系中巨型水平联系构件中剪切变形的影响,推导了考虑剪切变形的Timoshenko梁谱单元,竖向构件的轴向反应则用谱单元中的杆单元来模拟,在分析中通过对波动方程的修正来反映地震波传播的时延性.算例分析结果表明:在脉冲型强震竖向分量作用下,竖向构件的轴力波动较为明显,内部核心筒与外部巨型柱的相对错动效应显著,横向构件剪切问题不容忽视,此类损伤与后继水平地震分量作用的非线性耦合效应更须注意.

谱单元法在湍流数值模拟中的应用

采用高精度谱单元方法(spectral element method,SEM)对Re=3900下圆柱绕流和Re=5300下圆管湍流进行直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS),将结果与大涡模拟结果(large eddy simulation,LES)、基于有限体积法(finite volume method,FVM)的DNS结果以及实验结果进行了对比分析。对圆柱绕流的量化分析结果显示,尾流中心线处流向平均速度的SEM计算结果与实验结果基本吻合,而LES方法则低估了回流区最大速度并高估了离圆柱较远区域流向速度的协方差。另一方面,圆管湍流的对比结果显示,SEM法结果与FVM法结果在一阶统计量上基本吻合,而在二阶统计量上则略有差异,表现为FVM方法结果的流向雷诺正应力预测值偏大,而环向与径向预测值偏小。

附加杆对圆柱水动力特性的干扰作用分析

钝体绕流是海洋工程中常见的流动现象。圆柱作为具有代表性钝体结构,可用于探究钝体尾流控制或水动力优化方法的经典力学模型。本文采用高精度数值方法研究了紊流状态下附加小直径杆对圆柱水动力特性的影响特性。模拟中,2个控制杆的直径为d/D=0.04(d为控制杆直径,D为圆柱直径),对称布置在圆柱流动分离产生的分离剪切层内(x/D,y/D)=(0.7D,±0.7D)处。模拟结果显示,相比单一圆柱,在圆柱尾流区增设控制杆后,控制杆所产生的扰动显著改变剪切层的动力特性和尾流的拓扑结构,回流区长度比单个圆柱明显缩短,作用在圆柱的水动力显著提高。通过流场可视化结果,可以观察到近尾流区湍流强度的明显增强效应,显示在紊流条件下附加控制杆对圆柱水动力特性产生的影响不同于层流条件下的结果。

基于旋转杆的低雷诺数SD7003翼型流动控制研究

为了研究翼型边界层内旋转杆对SD7003翼型的尾涡模式和气动特性的影响,本文基于高精度的谱单元方法,对α=4度及Re=5000下SD7003翼型进行直接数值模拟。通过改变旋转杆在边界层内的位置和转速比,发现SD7003翼型的4种尾涡脱落模式,结合对SD7003翼型升力系数的频谱分析,详细统计了旋转杆不同位置和转速比下的翼型尾涡模式,揭示了旋转杆能推迟甚至抑制边界层流动分离以及翼型尾涡模式随旋转杆的变化规律;根据对SD7003翼型气动特性的量化分析,发现平均升力系数最大可提高114%,平均阻力系数最大增加88%。增加转速比后,平均升力系数最大提升44%,升阻比提升幅值为56%。旋转杆对SD7003翼型有较好的控制效果,为低雷诺数下翼型的边界层控制提供方法和思路。