翼-身组合体绕流的Euler方程数值模拟

用代数方法生成翼-身组合体H-O型网格,并用有限体积法研制出翼-身组合体绕流三维Euler方程计算程序。该方法的特点是改进了机身与机翼表面网格点分布,机翼后缘有后掠时也能保证后缘与网格线一致。程序除能按常规提供横流截面展向压强分布外,还能提供弦向压强分布。对NASA TND-712的翼-身组合体模型的计算结果与实验符合很好。

基于VLW状态方程的氢氟爆轰参数理论分析及数值模拟研究

氟气是具有强氧化性的气体,与氢气会发生剧烈的化学反应,为了得到氢氟爆轰的爆轰参数,基于VLW状态方程与爆轰理论对氟气与氢气在标准状况预混条件下爆轰性能进行了理论计算,当氢气与氟气的摩尔比为1∶1时,计算得到爆压为15.31 MPa,爆温为6 479 K。利用materials studio与CP/2K分子动力学模拟计算了氢与氟的反应,对现有氢氟反应机理进行了完善。最后通过FLUENT流体动力学仿真软件对摩尔比为1∶1时的氢氟爆轰进行了仿真计算,因爆轰波在管道内多次叠加,所以计算出超压可达46 MPa,高于理论爆压值的15.31 MPa;管道内计算出的温度可达6 800 K,与理论爆温值相差4.6%,对研究氢氟爆轰条件与能量释放规律具有一定借鉴意义。

基于二元三次B样条拟插值的反应-扩散方程数值解

反应-扩散方程在科学和工程的许多分支中有着重要的应用,对此类方程数值解的研究具有重要意义.鉴于计算域的复杂形状、大量的自由度等导致计算非常困难,提出张量积型二元三次B样条法求解一类分数阶反应-扩散方程和交叉反应扩散系统,首先计算得出二元三次B样条拟插值的矩阵表达式,然后利用Matlab进行数值模拟,最后将数值模拟解与精确解进行对比.研究表明,当变量t的迭代次数较低时,所提方法行之有效.

基于紧致交错差分格式的二维声波及黏滞声波方程数值模拟

针对常规网格差分难以适用于地震波场数值模拟中复杂介质的问题,首次将紧致交错有限差分格式应用于黏滞声波方程的数值模拟研究并同声波方程的数值模拟进行了模拟精度、频散关系和稳定性分析等方面的比较。理论研究结果表明:当差分精度相同时,紧致交错网格所需节点数要少于常规的中心差分和交错差分格式,计算效率更高;同常规的交错差分与中心差分格式相比,紧致差分的截断误差更小,数值频散也更低,能够适用于粗网格计算;差分精度相同情况下时进行数值模拟,紧致交错格式所需要的时间网格更小,稳定性条件也更为严格;紧致交错差分格式在完全匹配层(perfectly matched layer, PML)条件下,能够对边界反射进行有效吸收。最后,对均匀、水平层状介质以及Marmousi模型进行了黏滞声波方程的数值模拟和波场特征分析,实验结果证明了该方法对于复杂介质的数值模拟的适应性和有效性,并具有较高的模拟精度及计算效率。

鄂尔多斯盆地黄土塬区地震波场数值模拟及传播规律

为研究鄂尔多斯盆地黄土塬区地震波的传播规律和噪声的产生机理,根据庆城北三维工区实际地表高程和速度结构,建立准确反映黄土塬区近地表结构的三维数字模型(速度和品质因子Q),以基于Q显式表达的黏滞声波方程为基础,采用坐标变换法实现起伏地表条件下的三维黏滞声波方程数值模拟。该方法可以将复杂近地表引起的近炮点强能量噪声和强衰减效应较客观地模拟出来,模拟结果与实际资料的吻合度较高。通过不同复杂程度模型的三维数值模拟和波场分析,厘清了黄土塬区地震资料近炮点强能量噪声和多次反射、多次折射的产生机理,并结合实际资料分析了黄土塬区不同位置(塬、梁、坡、沟)及不同炮点深度的波场特征差异,认为:沟中激发时,近炮点强能量噪声较弱,资料品质相对较好;随着炮点深度增大,信号的高频端成分逐步增加;黄土塬地区野外地震采集时,应避免在干黄土层中激发,尽可能选择胶泥层或更深层激发。波场分析结论对黄土塬区实际资料采集和处理具有一定的指导意义。

电子束发射诱发航天器充电的数值模拟研究

通过发射电子束测量空间地磁场是一种新的有效的地磁场高精度测量方法,但电子束发射对在轨航天器自身状态和安全存在影响。为了研究这一影响,从同步轨道充电机制出发,基于轨道限制机制和朗缪尔方程研究了航天器发射高能电子束时的诱发充电模型,推导了不同初始电位情况下束流发射的平衡电位公式,并编制程序研究了这一过程中粒子束电流、能量、光照等因素对航天器充电电位的影响,得到了航天器对外发射高能电子束时诱发航天器自身或平台的充电电位随时间变化规律,并通过部分解析解对比验证了模拟结果的正确性。

神经网络状态方程在强爆炸冲击波数值模拟中的应用

强爆炸数值模拟的主要挑战在于如何准确地描述爆炸产物状态方程。利用BP神经网络和强爆炸产物状态数据对神经网络产物状态方程进行训练,并将得到的状态方程植入自编的一维球对称数值模拟程序,对强爆炸冲击波参数进行了计算。结果显示,计算得到的冲击波峰值超压、冲击波到时、正压时间与标准值吻合较好,证明将神经网络状态方程应用于强爆炸冲击波数值模拟是可行的。研究结果对确定强爆炸数值模拟方法具有很好的借鉴意义。

基于立方型气体状态方程的激波风洞准一维流动数值研究

采用基于立方型气体状态方程的准一维流动数值模拟方法研究了反射式高焓激波风洞的真实气体流动,重点关注了高压真实气体效应对风洞全场流动时空结构和驻室区气流参数的影响,并以理论分析揭示了高压真实气体效应对激波管内流动的作用机理。研究表明:对于以冷高压气体驱动的激波风洞,使用考虑分子体积和分子间作用力的真实气体状态方程能够更准确地描述气体的状态和风洞内的流动状况。高压真实气体效应主要在冷驱动气体中发生作用,其作用效果主要是使当地声速增大,从而使得入射稀疏波和反射稀疏波的传播速度加快;另一方面,高压气体效应在高温气体效应较显著的被驱动气体中作用微弱,且对激波管产生激波的强度和激波后的流动状态影响甚微。稀疏波的加快传播改变了激波管波系的相干时空关系。提前抵达的稀疏波可在一定情况下侵蚀激波风洞的有效试验时间。对于所测试的激波风洞构型,在150 MPa氢气驱动110 kPa氮气的工况下,高压效应导致的有效试验时间缩短约38%。适当加长驱动段长度和采用高温气体驱动均可有效减弱高压真实气体效应的影响。

基于CFD-PBE耦合的连续结晶过程数值模拟

通过CFD(计算流体力学)与PBE(粒数衡算方程)耦合对连续结晶过程进行数值模拟。采用QMOM(积分矩方法)求解PBE。在考虑成核、生长、聚并和破碎的情况下,通过网格独立性验证确定计算网格数量。在此基础上研究挡板设置、停留时间、搅拌转速以及搅拌桨类型等因素对CSD(晶体粒径分布)演变的影响,结果表明:挡板的设置增强了结晶器内湍流程度;高转速和低停留时间会获得平均粒径较小的颗粒。对比3种搅拌桨对CSD演变的影响,轴流式的螺旋桨功耗小,适用于大颗粒晶体结晶过程,而径流式的圆盘涡轮桨适用于微粒结晶过程。

430不锈钢热轧板坯边部侧翻缺陷形成的数值模拟

在不同温度(1173.15~1473.15 K)和应变速率(0.01~10 s^(-1))下对430不锈钢进行热压缩变形试验,基于流变数据建立修正的Zerilli-Armstrong方程,并评估该方程的预测能力;将该本构方程参数导入Deform-3D软件,对试验钢五道次可逆热轧变形进行有限元模拟,分析边部缺陷的形成过程,并与实际轧制缺陷进行了对比。结果表明:修正的Zerilli-Armstrong本构方程能够很好地描述试验钢的高温流变行为,流变应力预测值和试验值之间的相关系数为0.9939,平均相对误差为5.9%;模拟得到在轧制过程中轧辊与板坯之间的摩擦力使得板坯表面和内部存在横向位移差,导致板坯侧面节点上翻到表面形成边部侧翻缺陷,缺陷的位置和形貌与工业试制结果相吻合。

复杂波浪场中防波堤掩护效果的数值模拟研究

防波堤的布局以及波浪的工况条件会使泊位处的波高发生变化,影响系泊船的安全作业。结合南美洲某港口工程,采用基于Boussinesq型方程的MIKE21-BW模型,分析了复杂波浪场中防波堤对泊位的掩护效果,研究不同走向及不同长度的防波堤的掩护性能。结果表明,防波堤布局1在复杂波浪场中具有良好的掩护效果,各种工况中的有效波高均满足短波的波高限制,可以保证船舶的稳泊。但是防波堤布局1并不能对其有效地消解次重力波,随着波浪周期的增大,部分泊位处的次重力波高大于限制标准,可能会存在泊稳问题。布局2的掩护效果欠佳,无法满足限制标准。布局3的掩护效果有了显著的提升,泊位处的有效波高和次重力波高均得到了进一步的消解。研究成果为港口布局、系泊设计和港工建造提供了参考。

复杂地表起伏多重变加密网格有限差分法波动方程数值模拟

常规变加密网格有限差分波动方程数值模拟方法采用水平分层加密网格,该网格剖分策略在适应地形起伏和近地表速度结构变化特征方面效果较差。针对该问题,提出一种起伏多重变加密网格有限差分波动方程数值模拟方法。该方法根据地形起伏和近地表低速层到高速层的速度分布特征进行网格加密;采用不同网格中的变系数差分格式离散声波方程,在保证波场模拟精度的同时兼顾计算效率;同时,为了进一步保障地表附近波场模拟的精度,地表附近最细网格中的差分格式不做降阶处理,针对位于地表以上的虚像点的波场值,提出一种融入自由地表边界条件的法向虚像外推法。算例分析验证该算法对速度模型不同区域进行的网格多次加密显著提高了计算效率,以黄土塬实际模型为例,耗时为常规1 m×1 m网格耗时的43.3%,并可达到和细网格基本一致的模拟精度,模拟误差控制在10-12范围内,同时表现出很好的近地表散射压制和边界吸收效果,且算法能稳定地适应实际复杂地表介质。

造纸用三叶凸轮转子泵的内部流场数值模拟研究

三叶凸轮转子泵内部流场的特性对其性能和可靠性具有重要影响,因此进行内部流场分析是十分有必要的。为此,进行造纸用三叶凸轮转子泵的内部流场数值模拟研究,建立三叶凸轮转子泵的三维实体模型并对其划分网格,设置边界条件和流体属性;在此基础上,建立四个流体运动控制方程,利用CFX软件中压力求解器对流体运动控制方程进行求解。结果表明:在0.20 s、0.22 s、0.24 s时,上转子基元内的流场压力逐渐增大,下转子基元逐渐向转子泵的出口方向移动;在0.26 s到0.28 s时,下转子基元逐渐与出口连通,泵内流场压力重新趋于稳定。在0.20 s、0.22 s时,由于转子基元还未完全与出口段相连通,因此高速区域中心位于靠出口段下方,之后随着转子的转动,在0.24 s、0.26 s、0.28 s时,转子基元与出口段连通,内部流体流量开始逐渐减少,高速区域中心也开始向上方移动。

基于改进BSO算法的非对称性弹性波动方程数值模拟

随着地震学研究的不断深入,介质微观结构相互作用引起的非均质性对地震波传播的影响受到越来越多的关注。Wang等(2020)提出在广义连续介质力学理论的框架内来描述介质的复杂微观结构,并推导出了包含介质特征尺度参数的非对称性弹性波动方程。此外,在考虑到介质的微观结构相互作用时,地震波传播中会出现尺度效应。本工作为了更好地分析波场的尺度效应并提取微结构相互作用引起的波场新分量,我们提出了一种基于改进的BSO算法来得到优化的常规网格有限差分方法,然后利用优化后的有限差分方法对考虑了介质微观结构的非对称性弹性波动方程进行数值模拟。数值频散分析表明,优化后的常规网格有限差分方法具有较高的精度。根据使用优化后的有限差分方法得到的数值模拟结果,可以清楚地观察到,在考虑介质的微观结构时,地震记录中出现了新的波场成分表现出了明显的尺度效应。

翼身组合体的网格生成及 EULER 方程数值模拟

采用代数方法中的广义无限插值法生成翼身组合体三维Ｏ－Ｃ型贴体网格。该方法使用双边界法和引入了物面外法向导数以保证物面附近网格正交的处理方法，提高了代数方法生成翼身组合体网格的质量。并用中心格式有限体积法求解跨声速ＥＵＬＥＲ方程，以某翼身组合体模型为例，计算结果与实验符合良好。

基于Euler方程的二维翼型大迎角数值模拟

大迎角飞行以及机动特性是现代战机的重要特征之一,能够准确的模拟大迎角流场结构及预测相应的气动特性至关重要。但目前最流行的商业计算流体力学软件FLUENT无法模拟大迎角问题,即迎角超过一定度数后,系统就会出现错误。针对这一缺点本文提出了改进方案,通过对物面边界条件进行特殊处理,进而求解二维欧拉方程,成功的得出了大迎角条件下的数值模拟结果,并分别对四种典型的二维翼型的大迎角流场结构及气动特性进行了数值模拟,得到了满意的数值结果。

变网格有限差分弹性波方程数值模拟方法

研究复杂介质中地震波传播规律及地震响应特征,需要在细小网格剖分下进行弹性波方程数值模拟计算,而小网格下的数值模拟计算将带来巨大的计算量问题,采用变网格计算是减少计算量的有效途径。本文给出一种变网格差分计算的实现方法,在局部复杂介质区域采用细网格计算,其余区域采用粗网格计算,在两种网格的过渡区通过改变差分算子和波场插值实现波传播的过渡衔接。理论分析和数值模拟结果表明,变网格时在粗细网格的过渡区不会对地震波传播模拟带来影响,从而达到了既减少计算量又保证计算精度的目的。

基于电场矢量波动方程的三维可控源电磁法有限单元法数值模拟

从可控源电磁法的基本原理出发,推导了基于电场矢量波动方程的三维边值问题,利用广义变分原理,把边值问题转换为变分问题,并引入散度条件,避免了伪解的出现,使有限元计算在理论上更加完备.在准静态近似条件下,把水平电偶极子在空中和大地的远区电场闭合表达式作为有限元计算中的区域外边界条件,解决了边界条件加载的困难;把应用于地震模拟中的伪delta函数引入到可控源电磁法中的三维有限元模拟中,消除了源点的奇异性,提高了方程组的稳定性.通过对均匀大地和层状介质模型的模拟,检验了程序的正确性,并对典型的地质体模型进行了数值模拟,分析了其变化规律.

基于Euler多相流模型的卧螺离心机速度场数值模拟与分析

应用计算流体力学软件Fluent,基于Euler多相流模型,在多重参考系坐标下,选用RNG k-ε湍流模型,对卧螺离心机内部的三维速度场进行了数值模拟和分析。结果表明:当液体进入转鼓后,对沉降分离起主要作用的周向速度迅速增大,经过较短的距离即可获得稳定的流动状态,且沿转鼓轴向变化较小;轴向速度沿径向的梯度在转鼓柱段较小,而在锥段较大,且在靠近转鼓的区域,锥段的轴向速度比柱段的大;径向速度复杂多变,无明显规律,流动受几何结构的影响很大。

基于完全匹配层构建新方法的2.5维声波近似方程数值模拟

传统的吸收边界条件只对有限入射角和有限频率范围内的波具有很好的吸收效果,而在有效吸收范围外的边界反射将对数值模拟结果造成污染。为此,在2.5维声波数值模拟中引入完全匹配层吸收边界条件,并提出了一种完全匹配层构建新方法。该方法将完全匹配层构建在研究区域的右边界和下边界的外部,同时改变相应的衰减因子,使之关于完全匹配层的中心呈对称分布。在采用有限差分法计算波场时,将完全匹配层外边界的网格点与相应的研究区域边界的网格点连接起来,使波在传入完全匹配层之后又传入到研究区域中。由于完全匹配层良好的吸收效果,波在完全匹配层中被完全吸收,基本不会再传入到研究区域。在构建相同数量的完全匹配层的情况下,完全匹配层构建新方法使波在传播过程中比以往的构建方法多通过一倍的完全匹配层介质,从而提高了对边界反射的吸收效果。通过均匀速度模型和Marmousi速度模型证实,完全匹配层构建新方法对边界反射的吸收效果较好。