基于DEM-FEM耦合方法的碎屑流对桥墩最大冲击力的影响因素研究

碎屑流是我国山区最危险的地质灾害之一,山区桥墩常受到碎屑流冲击而开裂、倾斜甚至倒塌,给山区桥梁建设、运营带来严重的安全隐患。采用离散元方法(discrete element method,DEM)和有限元方法(finite element method,FEM)耦合的三维数值模拟方法模拟了碎屑流对双柱式桥墩的冲击效应,并结合斜槽试验,验证了耦合方法的准确性,进一步分析了碎屑流冲击坡度、距离和体积密度对桥墩冲击力的影响规律。结果表明,最大冲击力与碎屑流冲击坡度、距离和体积密度分别呈幂函数(指数大于1)、幂函数(指数小于1)和线性正相关。冲击坡度、距离和体积密度对最大冲击力的敏感度值分别为3.012、0.202、0.804,在桥梁碎屑流灾害防治时需重视冲击坡度和体积密度的影响。将冲击力的数值模拟值与流体动力学模型预测值对比分析表明,流体动力学模型理论公式能较好地预测桥墩所受的最大冲击力,最大预测误差低于23.6%。相关研究结果可为山区桥梁碎屑流灾害防治与设计提供一定的参考依据。

涵道风扇部件耦合设计方法及初步应用

涵道风扇是未来绿色航空动力的重要发展方向,快速、准确的涵道风扇设计方法成为工程领域的迫切需求。在传统的涵道风扇设计方法中,部件间的耦合效应需要建立在完善的三维数值计算或试验数据的基础之上。而本文发展了考虑涵道风扇关键部件耦合效应的设计方法,形成了涵道风扇一体化设计手段,并以此为基础开展了涵道风扇的一体化设计及验证工作。结果表明:相比于简单叠加设计方法,耦合设计使叶片推力设计误差由15%减小到3.5%;采用部件耦合方法设计的带有扩张喷管涵道风扇和等直径喷管涵道风扇的转静叶片推力设计误差满足工程需求,确认了部件耦合的设计方法正确传递了部件间的影响关系;通过试验对设计结果进行了推力校验,试验结果与设计点的总推力误差为1.25%,证明了本文发展的耦合设计方法的准确性。

典型光电系统强电磁脉冲耦合分析与加固方法

随着电磁环境的日益复杂,电子设备面临的电磁威胁愈加严峻。光电系统作为高灵敏集成化电子设备,强电磁脉冲能量耦合进入系统内部,影响防护能力本就薄弱的光电系统的正常运行。为明晰典型光电系统强电磁耦合过程,通过仿真分析不同强电磁辐照条件下筒型、侧窗型和多窗口型三种典型光电系统的强电磁耦合情况,提取了光电系统强电磁耦合特征及其制约因素,验证了光电系统进行强电磁防护加固的必要性和紧迫性。为解决光电系统强电磁防护能力薄弱的问题,通过仿真分析,验证了透明电磁防护窗口的强电磁加固效能;开展了基于支撑台阶与导电侧壁的电磁缝隙防护加固方法研究,分析了透明防护窗口缝隙耦合泄露的关键安装结构参数,提出了一种非电接触式装配缝隙强电磁防护加固方法。经测试,当缝隙防护结构长度为6 mm时,在0.2~4 GHz频率范围光电系统平均强电磁防护效能提升4.51 dB。研究结果为光电系统强电磁防护能力提升提供了理论指导和具体解决方案。

弱导电薄层介质材料电磁耦合等效计算方法研究

面向核电磁脉冲等强电磁环境下复合材料壳体平台的电磁环境效应分析需求,根据Maxwell-Ampere定理的积分形式,分析得到了时域有限差分方法在处理弱导电薄层介质材料参数时的等效计算方法,即当介质等效波长远大于模型厚度时,可将薄层模型适当增厚,同时等比例减小其电导率,参数等效前后模型的电磁耦合特性基本相同。该方法通过等效增厚薄层材料从而实现增大空间离散步长,减少网格量的目的,不需要改变传统时域有限差分方法的时间步进格式,不会破坏计算的稳定性。无限大有耗介质薄板、薄层球体、含薄层壳体无人机电磁耦合等算例表明,在包含毫米级厚度弱导电介质薄层壳体平台的核电磁脉冲耦合模拟中,该方法具有较好的适用性。

基于SPH-FEM耦合方法的泥石流冲击输电塔基础的动力分析

泥石流是我国西南山区常见的地质灾害。架空输电杆塔在泥石流的冲击下往往发生基础破坏甚至会造成杆塔倒塌。首先采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法和有限元方法(finite element method,简称FEM)相耦合的三维数值方法模拟了泥石流对杆塔基础的冲击作用;在与相关模型试验结果验证的基础上,开展了不同泥石流密度、黏度系数及初始速度条件下对输电塔基础的冲击力作用的参数分析;研究结果表明:随着泥石流初始速度的增加,冲击力峰值会随之增大;前排基础的冲击力峰值均大于后排基础;泥石流冲击过程特性受到泥石流密度和黏度系数影响。与稀性泥石流相比:黏性泥石流冲击基础后,基础下游真空区相对要小;此外,将数值模拟结果与Kwan冲击力公式及铁二院推荐的冲击压力设计公式预测值进行对比分析可以发现:Kwan冲击力公式能较好地预测出基础所受泥石流冲击力的平均趋势,最大预测误差低于30%,铁二院公式预测的稀性和黏性泥石流的冲击压力平均偏低分别约17%和28%。相关研究结果有望为泥石流频发区域输电塔基础的设计和风险评估提供一定的参考依据。

任意分布ST方法及其在随机场线耦合中的应用

随机测试(ST)方法是一种不确定性量化方法,已有的ST方法还不能处理具有任意分布随机变量的情况。通过Gram-Schmidt正交化算法为任意分布随机变量构建混沌多项式基底,对ST方法进行拓展,使其可用于任意分布随机变量的情况。将拓展后的ST方法用于传输线场线耦合分析中。在场线耦合的计算中,由于辐射场的不确定性,入射波极化角、方位角与仰角存在不确定性,因此传输线的响应也呈现出不确定性,导致随机场线耦合问题。针对输入参数服从任意分布的情况,应用ST方法对传输线场线耦合响应进行不确定性量化。对模型的输出响应进行多项式混沌展开,通过求解展开系数得到模型响应的统计信息。结合单随机变量和多随机变量场线耦合算例,得到传输线电压响应的统计信息。最后对比蒙特卡罗模拟方法,验证了ST方法的正确性和高效性。

考虑时变特性的车-桥耦合系统非平稳振动频域方法研究

当列车行驶经过桥梁时,由于车辆在桥上的位置随时间不断变化,车-桥耦合系统具有时变特性,即使假设轨道不平顺为平稳激励,车辆和桥梁的振动仍然是一种非平稳的随机过程。本研究旨在提出一种非平稳频域分析方法,以高效分析受轨道不平顺激励的车-桥耦合系统的非平稳随机振动问题。首先推导了单节列车通过单跨简支桥的耦合系统时变频响传递函数(FRF),据此描述线性时变系统的动力特性。该函数满足一组变系数微分方程,可采用摄动法求解该函数,从而提高计算效率。随后,结合PRIESTLEY的演化谱理论,推导非平稳随机响应的演化功率谱密度函数(EPSD)。基于非平稳频域分析方法,计算响应时变均值和方差,结合3σ准则来估计非平稳响应的极值。研究结果表明,由于轨道不平顺的影响,车辆振动表现出平稳随机过程的特性,但其方差较大,表现出更大的离散性;而桥梁的振动则呈现出明显的非平稳特性,但方差较小,响应具有较小的随机性。极值分析表明,轨道不平顺激励对车辆振动具有显著影响,其均方根对极值响应起主导作用。而轨道不平顺激励对桥梁振动的影响较小,桥梁振动则主要受移动质量影响,其响应的极值主要受均值的影响。此外,相较于系统位移响应,车速对加速度响应的影响更为显著,例如车身加速度响应最大值随车速的增加可增大至3倍左右。

求解耦合非线性Schrodinger-Boussinesq方程的三角标量辅助变量方法

采用三角标量辅助变量(TSAV)方法,构造求解耦合非线性Schrodinger-Boussinesq方程初边值问题的高效数值格式。基于方程非线性势能的三角函数形式,提出求解方程的TSAV格式;对方程在时间和空间上分别采用二阶Crank-Nicolson格式和傅里叶谱方法进行离散,并证明时间半离散格式的修正能量守恒律。最后,通过数值算例对文中格式进行验证。结果表明:文中格式具有有效性,修正能量具有守恒性。

调谐液柱阻尼器-结构系统风致振动响应的CFD/CSD耦合分析方法

针对调谐液柱阻尼器(tuned liquid column damper, TLCD)难以建立其精确的非线性理论分析模型,且其力学性能试验成本高和耗时长等问题,首先采用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,对TLCD系统的力学性能和动力特征进行仿真模拟,在此基础上进一步提出了基于计算流体动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合分析方法,求解带TLCD系统的高层建筑结构的风致动力响应。通过开展某一TLCD系统在特定底部激励下的力学性能和动力特性试验,得到其内液体晃荡的自由液面波高和晃动力时程,验证了CFD数值模拟方法可以准确地分析TLCD水箱内液体的非线性晃动特征。随后对风工程领域广泛采用的76层建筑结构振动控制Benchmark模型,假设其顶部设置TLCD系统时主体结构在三种风速重现期(10、50和100年)风速对应的横风向动力风荷载激励下的风致控制效率,采用提出的CFD/CSD耦合分析方法,进行了数值仿真模拟分析。耦合分析结果表明,TLCD系统对Benchmark模型的风致加速度、速度和位移响应均有一定的控制效果,对加速度响应的控制效果要优于对位移响应的控制效果。该研究方法可为复杂TLCD系统对高层建筑的风振控制分析提供有效的参考。

区间过程激励下刚柔耦合系统动态不确定性分析的序列模拟方法

针对动态不确定性激励作用下的刚柔耦合系统动力学问题,提出了一种基于区间过程模型的动力学不确定性序列模拟方法,旨在通过区间过程序列抽样及刚柔耦合动力学序列模拟计算结构振动与机构运动等系统动态响应的上下边界。介绍了中心刚体柔性梁刚柔耦合系统动力学方程的构建与数值求解方法。针对动态不确定性激励作用下的刚柔耦合系统动力学分析,引入区间过程模型及其区间K-L展开对动态不确定性进行了度量和高效表征,提出了一种求解系统机构运动与结构振动等动力学响应上下边界的序列模拟方法。该方法利用序列模拟策略识别当前模拟序列中对动态响应上边界或下边界具有贡献的区间过程参数样本集,作为下一模拟序列中的局部加密抽样中心,可有效避免直接蒙特卡罗模拟在计算动力学响应上下边界时因过多无效抽样模拟而导致的低效收敛问题。最后,通过三个算例对所提方法的有效性进行了验证。研究结果表明,对于刚柔耦合系统大范围运动及振动响应上下边界的求解,序列模拟方法相比于直接蒙特卡罗模拟方法具有更好的计算效率和计算精度。

基于电热耦合的高压直流电容器模型设计方法研究

针对一台高压直流电容器单元,首先根据其几何结构与材料参数设计了包括电热耦合仿真边界条件的电容器物理学模型,并利用基于有限元方法的瞬态热仿真软件模块进行求解,得到了电容器整体在趋于设定热稳定状态下的温度云图;然后通过实验验证的方法研究比对其在额定工况条件下的内部芯子最高温度点的温升;最后基于仿真结果,进一步探究了高导热填料填充到聚合物基体中形成的复合材料作为薄膜时的仿真结果与普通聚丙烯材料的温升对比。最终仿真结果与实验验证结果比对证明了模型设计研究的有效性。

基于灵敏度分析的电气耦合综合能源系统最小切负荷方法

切负荷是保证电力系统电压稳定的最后屏障。但随着电、气耦合程度的加深,电气耦合综合能源系统(integrated electricity-gas system,IEGS)中涌现出气压先于电压失稳的新场景,且切负荷种类已从电延拓为电、气2种。为实现IEGS整体切负荷量最低,需进一步考虑跨电、气2能源系统的最小切负荷需求。对此,提出了基于灵敏度分析的IEGS最小切负荷方法。首先,基于连续多能流定义综合灵敏度指标(comprehensive sensitivity index,CSI),以量化电、气负荷增长对IEGS气压的影响,CSI最大节点的气压最易达到稳定极限,可视为IEGS气压薄弱环节;基于此,构建切负荷灵敏度指标(load shedding sensitivity index,LSSI),评估切除各节点负荷对CSI最大节点气压的恢复效果,在气压临近失稳时按照LSSI由大到小顺序依次切除电/气负荷,使系统气压达到正常运行最低要求,实现负荷削减量最小;基于LSSI,引入切负荷成本形成考虑切负荷成本的灵敏度指标;最后,算例证明了相比切不灵敏节点,优先切灵敏度高的节点负荷可降低近60%的负荷削减量。

基于CFD-DEM流固耦合方法的吸力锚基础负压沉贯数值模拟

吸力锚基础作为一种新型高效的海洋结构物基础形式在海洋工程中得到了广泛应用。对于砂土中的吸力锚沉贯研究,传统试验或有限元数值模拟存在一定局限性。采用基于离散单元法与计算流体动力学理论(CFD-DEM)流固耦合方法对吸力锚在砂土中的吸力贯入过程进行数值模拟分析;通过与室内物理模型试验、沉贯阻力理论解析计算结果进行对比分析,验证CFD-DEM流固耦合方法的有效性和准确性。进一步地,从土颗粒细观尺度上深入分析吸力锚在砂土中沉贯特性。数值模拟捕捉到贯入过程中锚内土塞和砂层变化现象,发现砂层呈现出中间向上凸起的弧状分布,说明贯入产生挤土效应,其造成的土体位移和膨胀也是土塞产生的原因。同时模拟得到贯入过程中的超孔隙水压力等势线分布变化情况和锚内砂层水力梯度的变化情况,证实了砂土中吸力贯入的“安全机制”。最后将数值所得的锚外负压比变化与Houlsby和Byrne理论模型计算结果进行对比,得到锚内土体渗透系数随沉贯的变化规律。通过本研究验证,采用离散元法结合计算流体动力学理论有效地模拟和捕捉吸力锚沉贯过程中的细观土水相互作用、宏观土体变形及渗流场分布等现象,该方法可作为吸力锚沉贯特性研究的一种有效手段。

热力耦合作用下修井磨鞋产热规律与控温方法

针对修井液冷却不充分恶劣工况下修井磨鞋钻进慢、磨损快的技术瓶颈问题,基于热源法原理和傅里叶定律建立修井磨鞋磨粒力学与温度解析模型,明确磨粒受力、温度与结构参数的定量关系,采用温度-位移耦合侵彻接触算法建立磨粒热力耦合仿真模型,结合全尺寸修井磨鞋无冷却钻进试验探究室温环境下的修井磨鞋产热规律,进而提出改善修井磨鞋散热特性的控温方法,同时开发新型修井磨鞋并验证实际散热效果。结果表明:修井磨鞋磨粒的高温区域分布在磨粒切削刃和前刀面,高温中心由磨粒刀尖向前刀面逐渐演化,最高温度达到612.3℃;从磨粒切削刃、磨粒后角、水眼布置和散热方式等方面提出修井磨鞋控温方法,有散热孔磨粒稳定阶段的降温幅度在13.9%~21.3%;相对于常规修井磨鞋,新型修井磨鞋的高温区域由磨粒工作表面转移到试验工件表面,室温环境下的降温幅度超过10.5%。

复杂齿轮耦合转子-轴承系统动力学的规范建模方法

由于齿轮的耦合作用,齿轮-转子-轴承系统中各个转子的振动是相互耦合、相互影响的,研究齿轮-转子-轴承系统动力学,必须基于系统的、整体的观念进行分析。因此,齿轮-转子-轴承耦合系统动力学建模和模型降阶一直是人们普遍关注的问题。基于齿廓啮合基本定理,给出了直齿轮、斜齿轮、直齿锥齿轮、弧齿锥齿轮共4种齿轮的几何耦合模型(或称运动耦合模型);利用耦合模型矩阵,给出了含以上4种齿轮副的复杂齿轮转子-轴承系统纵-弯-扭耦合动力学研究的统一、方便、规范的建模方法。为复杂齿轮-转子-轴承耦合系统动力学分析研究提供了方便。

以疏勒河流域为例的“山水林田湖草”生态修复多尺度耦合框架及方法

为解决过去保护修复工程只考虑单要素、单一类型生态系统的问题,我国于2016年开展了“山水林田湖草”生态修复工程,旨在通过整体、系统、综合的方法对各类生态系统进行统筹治理。然而,目前的工程治理中仍然存在对系统内部及系统间耦合概念理解不充分、系统耦合机制不明晰、对“尺度”的关注不足、缺少科学的分析方法等问题,制约了保护修复的成效。对此,首先将多个尺度下的耦合研究方法进行归纳总结,并以国家重点冰川水源涵养区及生物多样性保护优先区——疏勒河流域为例,将耦合方法用于分析要素间、自然生态系统间的耦合关系,最后基于该实例研究,提出多尺度耦合分析框架与“升尺度”保护修复模式,以期帮助相关决策者明晰“山水工程”中要素、系统间的耦合关系,增强治理的科学性与有效性,进而推进我国社会与环境的可持续发展。

基于CEL方法的带结构物溃坝流数值模拟

随着全球气温的不断升高,极端天气现象增多,溃坝现象成为水工结构方向需要重点防范的自然灾害。溃坝流的发展会对下游结构物产生巨大的破坏作用,因此深入探究溃坝流现象的水动力学特性以及溃坝流下游结构物所受到的冲击力影响势在必行。本文针对带有结构物的溃坝流动问题现象,采用CEL方法(Coupled Eulerian-Lagrangian analysis,耦合欧拉-拉格朗日方法),对于溃坝流的发展、演化进行了数值模拟。研究结果表明,模拟结果中溃坝流自由表面及流体尖端时程变化与文献试验结果拟合较好,CEL方法可应用在溃坝流现象的模拟,并且具有较好的准确性和精度。结构物材料性能、高度及与结构物与溃坝流间的位置,均会影响溃坝流的运动状态以及结构物的受力变形状态,在不考虑结构物破坏的情况下,提高结构物弹性模量,增加结构物高度,以及减小结构物与溃坝流间的距离均可提高结构物对于溃坝流的阻挡作用。

滑坡–堵江–涌浪灾害链模拟的DEM–CFD耦合分析方法及其应用

滑坡–堵江–涌浪灾害链的演化过程涉及复杂的滑坡–河流相互作用。为了真实再现这一演进过程,本文提出了一种扩展的离散元法(DEM)与计算流体动力学(CFD)耦合数值方法,通过在局部平均DEM–CFD耦合方法中引入流体体积法(VOF)建立了一套能够描述河流自由水面演化的扩展DEM–CFD耦合数值框架,实现了对滑坡涌浪形成及传播过程的追踪;并提出了一种新的局部孔隙率计算方法即虚拟球模型,来克服网格颗粒临界尺寸比的限制,从而实现复杂地形建模要求;进一步通过多个典型算例验证其准确性和有效性。在此基础上,开展了滑坡–堵江–涌浪灾害链演化模拟,并应用至白格滑坡坝形成过程复演,深入分析了滑坡–河流动态演化过程及耦合作用机理。结果表明:所提出的方法能够准确模拟滑坡–河流相互作用;滑坡–河流–河谷地形的耦合作用驱动了灾害演化,滑坡体驱动了涌浪的传播,而河流则增加了滑坡体的动能耗散,且对其沉积过程在河流流向上产生相反影响;模拟得到的白格滑坡运移路径、沉积形态及涌浪侵蚀面积与实地调查结果吻合度较高,成功再现了2018年10月11日白格滑坡堵江事件。本文所提出的扩展DEM–CFD耦合数值方法为深入研究滑坡–堵江–涌浪灾害链演化机制提供了有力的数值工具,对于灾害预测及防灾减灾策略的制定具有一定的参考价值。

地理学中自然与人文耦合的挑战与前景

进入人类世以来,随着重大自然与社会问题的涌现,作为一门典型的交叉学科,地理学面临着前所未有的挑战与机遇。地理学研究的是复杂交织的人地关系问题,所以需要先在内部摒除二元论的偏见,实现自然(包括GIS)与人文的耦合。对中国地理学而言,自然与人文耦合的关键或难点在于方法论。应对挑战,地理学共同体应该鼓励面向重大问题的、多元化的交叉研究,促进数据、技术与社会的融合,共创治理科学新范式,逐步改变重理轻文的学科评价导向。在全球可持续发展的大背景下,地理学内部的交叉融合以及地理学与其他学科的交叉合作至关重要,人文与自然的耦合是地理学应该始终坚持的方向。

考虑气体的渗流应力耦合模型在黄壁庄水库中的应用

目前建立的多孔介质耦合模型通常认为气体是不可压缩的,无法描述气体的输运过程,无法反映气体对水体入渗和固体变形的影响。为了描述多孔介质中固液气三相的渗流应力耦合过程,基于多孔介质理论和有效应力原理,提出了一种耦合了改进守恒水平集(ICLS)方法并考虑气体可压缩性的固液气三相渗流应力耦合模型。将该方法应用于黄壁庄水库坝前冒泡现象的渗流应力耦合分析中,模拟了水位骤升后,固体变形、水体入渗和气体运移过程,及其耦合效应。计算结果表明,该方法能够简单直观的描述水气两相的运移过程及渗流应力耦合过程,且模拟结果与实际观测结果基本一致。