MPS-FEM数值分析带自由面的流固耦合问题

随着计算科学的发展,研究人员为探索流固耦合问题的物理机理而提出了众多的数值方法。其中,耦合的移动粒子半隐式方法 MPS(Moving Particle Semi-Implicit method)和有限单元法FEM(Finite Element method)为流固耦合问题的数值仿真工作提供了新的途径。本文所有流场的数值模拟工作均采用课题组自主开发的无网格法求解器MLParticle-SJTU来完成。该求解器在原始的MPS法基础上,对核函数、压力梯度模型、压力泊松方程的求解和自由面判断方式等方面进行了改进。此外,在该求解器框架内,基于FEM法拓展了针对结构场进行求解的功能。首先,对MPS和FEM方法的理论模型及其耦合策略进行了介绍。然后,采用该自研MPS-FEM耦合求解器,数值模拟了溃坝流动对弹性结构的冲击及其相互作用的标准问题。通过将结构变形及自由面波型变化等结果与已发表结果进行对比,验证了该求解器在处理带自由面剧烈变化的粘性流体和柔性变形结构的耦合作用问题上的可行性。

熔体发泡法制备泡沫铝过程中无泡层的形成与控制

对熔体发泡法制备泡沫铝过程中无泡层的形成与控制进行研究,考察熔体中加入金属镁后的表面张力以及镁的加入对无泡层厚度的影响,结果表明:泡沫铝制备过程中无泡层的形成分为3个阶段,第一阶段为发泡初期短时间内形成,在这个过程中,气泡向上运动,部分液体残留在底部形成无泡层;第二阶段和第三阶段为气泡长大过程,由于液膜液体与Plateau边界处处存在压力差,促使液膜处的液体流向Plateau边界处,最后通过Plateau通道流向底部形成无泡层;向加入3%Ca(质量分数)的纯铝熔体中再加入0.5%Mg后,熔体的表面张力显著降低,泡沫体中无泡层的厚度得到很好的控制。

基于移动粒子半隐式法的表面张力模拟

采用移动粒子半隐式法(MPS)模拟了受表面张力影响的自由面流动。表面张力的计算采取了一种较适合于MPS方法的表面自由能模型。方形液滴振荡和射流断裂的模拟结果分别与理论分析和试验结果一致,同时进行了三维射流注水模拟,从而验证了MPS方法结合该表面张力模型可以有效、方便地进行自由面流动中表面张力现象的模拟。

利用张力薄膜平衡特性构造自由曲面空间结构

自由曲面空间结构不仅要满足特定的几何形态要求,而且需要具备受力均衡的力学性能.结合几何特性分析与力学性能优化,提出了基于自然界中张力薄膜平衡特性的自由曲面空间结构造型技术.将初始的准均匀B样条曲面比拟为张力薄膜,运用拉普拉斯公式与改进的动力松弛法进行优化,得到满足给定边界条件的合理目标曲面.数值实验结果表明,该造型技术简便可行,可有效地缩短自由曲面空间结构的设计周期.

有限—离散杂交元岩石爆破漏斗数值模拟研究

为了验证有限—离散杂交元模拟岩石爆破结果的真实性、可靠性,对岩石爆破漏斗产生过程进行了数值模拟。采用联合单一与弥散裂纹模型实现从有限元模拟到离散元模拟的转化,应用等截面管道模型模拟爆破气体对裂缝的扩张作用。模拟结果表明:有限—离散杂交元能够模拟出岩石爆破中应力波的产生、传播及在自由面反射的整个过程,能够再现岩石破碎的产生、裂隙的扩展及碎石的抛掷过程。模拟出的岩石爆破的主要分区,即破碎区、裂隙区、和弹性区,与理论研究相符,监测点的应力时程曲线与文献中的结果具用相同特征。因此有限—离散杂交元能够模拟出爆破漏斗产生的整个动态过程,为岩石爆破理论的研究提供了新的手段。

熔池中液态金属自由表面温度分布与液面形状研究

根据Ｙｏｕｎｇ－Ｌａｐｌａｃｅ方程对液态铀溶池的自由表面进行了数值计算。得到了表面凹陷与表面温度分布的关系。阐明了电子枪加热金属表面时出现的凹陷是由于原子蒸汽对液态金属表面反冲压力所引起的，而不是电子束的冲量造成的观点。对不同最高温度及不同熔池宽度的液态铀熔池表面凹陷形状进行了计算。

基于有限元法的双辊铸轧熔池内钢液流动规律的研究

把双辊铸轧熔池看做钢液和大气的两相自由表面流,采用有限元法对钢液的流动规律进行研究,并对比分析自由液面以及铸辊的转动对熔池流场的影响。结果表明,把熔池液面处理成平面时,液面附近钢液的流速计算不真实,计算结果会使得液面处的速度在铸带宽度方向上分布极不均匀,不能用此模型研究熔池的液面波动情况;忽略铸辊的转速有可能导致熔池下部流场形式的变化,会使得下部回旋减弱甚至消失,误差较大。

贮腔类三维自由液面动力学问题数值研究

讨论了贮腔类三维自由液面动力学问题的数值研究,将任意的拉格朗日-欧拉运动学描述关系引入到系统的控制方程中,采用任意的拉格朗日-欧拉描述跟踪自由液面,推导了自由面上结点的法向矢量计算公式。采用Galerkin余量法推导了Navier-Stokes方程的空间离散有限元方程,采用三维自由液面上微分几何理论推导了表面张力计算公式。数值研究中考虑了接触角效应,最后进行了三维数值算例分析。

有自由面渗流分析的丢单元法的改进及其在地下工程中的应用

在现有的有自由面渗流分析的丢单元法的基础上进行了改进。对含自由面单元,按复合材料单元进行处理。对丢单元,引入空单元的概念进行处理。算例表明,改进后的丢单元法具有收敛性好,编程简单,计算精度更高的特点。最后用此法成功求解了漫湾水电站二期工程地下厂房围岩的复杂渗流场,并在此基础上分析了渗流场分布的主要影响因素的影响,进行了现拟渗控设计方案分析。

溶剂效应对合成聚苯胺形貌及性能的影响

采用无模板法,研究了不同溶剂的溶剂效应对聚苯胺(PANI)形貌及性能的影响。采用SEM、FTIR、XRD和TG对所得PANI进行了表征。研究发现:不同溶剂得到的PANI具有4种不同形貌,即玫瑰花型(水作溶剂)、纳米颗粒(乙醇、乙腈、乙酸乙酯作溶剂)、纳米棒(乙醚、甲醇、三氯甲烷作溶剂)和空心微球(水杨酸溶液作溶剂),其形貌的形成是溶剂的表面张力和软模板共同作用的结果;所得PANI均具有较高的电导率,且为掺杂态PANI,溶剂对电导率的影响不大;其FTIR谱图非常相似,但形成的氢键有强有弱,乙酸乙酯、乙醚、甲醇、水杨酸溶液作溶剂所得PANI醌环的键强度减弱,掺杂度降低。XRD结果表明,所得PANI总体为无定形聚合物,乙腈、甲醇、三氯甲烷为溶剂所得PANI的结晶性能更好一些,而以水、乙腈、乙酸乙酯、乙醚和三氯甲烷为溶剂时得到的PANI具有更好的热稳定性。

台阶式凸模精冲工艺分析及数值模拟

采用平面压板的无齿圈精冲,可以有效降低模具制造成本,提高精冲材料利用率。但采用常规平面压板精冲很难获得较好的冲裁面质量。文章对常规平面压板精冲模具进行改进,通过采用台阶式凸模结构实现无齿圈精冲;采用DEFORM 2DTM软件对C20E-EN钢圆盘的台阶式凸模精冲过程建立轴对称模型进行有限元模拟,分析凸模台阶高度、台阶宽度和冲裁间隙等工艺参数对零件冲裁面光洁带高度和塌角高度的影响规律,获得了相对最佳工艺参数的配合方式。将模拟结果与台阶式凸模精冲实验结果进行比较表明,模拟结果和实验结果具有较好的一致性。

基于分子间作用力改进的液体表面张力处理算法

基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法处理液体自由表面是一个挑战性问题,其主要原因是液体自由表面张力难以真实模拟以及气-液交界面的粒子不足造成的边界截断所引发的数值计算不稳定。文章在传统的处理表面张力的粒子间相互作用力(inter-particle interaction force,IIF)模型基础上,结合气体压力法,构造了一种新的液体表面张力处理算法。仿真实验结果表明,该文方法能够稳定和比较准确地模拟液体自由表面张力,模拟的液体自由表面更光滑、更真实。此外,该文还提出了一种新的核函数,提高了模拟效率。

化学组成对OLED基板玻璃熔体表面张力的影响

以OLED基板玻璃为研究对象,基于座滴法进行玻璃熔体表面张力实验,研究化学组成对无碱铝硼硅玻璃表面张力的影响。研究结果表明:Al_(2)O_(3)/SiO_(2)和MgO/RO(RO为碱土金属氧化物总和)的增加会导致玻璃熔体表面张力增大,增加ZnO/(ZnO+SrO)有降低玻璃熔体表面张力的作用;增加RO/(Al_(2)O_(3)+B_(2)O_(3)),玻璃表面张力会呈现先增大后减小的趋势,且在RO/(Al_(2)O_(3)+B_(2)O_(3))=1处出现极大值。

引用Monte Carlo法的自由面渗流分析

为改善迭代计算的收敛性,在有限元固定网格法求解有自由面的渗流分析中,引入Monte Carlo方法。对有自由面穿越的单元用Monte Carlo积分代替Gauss积分进行计算,或者用Monte Carlo方法计算其复合渗透系数。进行了算例分析。结果表明:该方法具有良好的收敛性,即使对于渗透系数相差悬殊的情况也能保证迭代收敛。引入MonteCarlo方法,能够使常用的自由面迭代方法(如单元传导矩阵调整法、初流量法、饱和-非饱和渗流)以及非稳定渗流问题等的收敛性有所改善。该方法编程简单且有普遍适用性。

温度对Sn-0.7Cu无铅钎料表面张力的影响

无铅钎料的表面张力是无铅钎料的重要物理性能之一。采用拉脱法测定Sn-0.7Cu无铅钎料的表面张力,同时采用RHEOTRONIC VШ型回转振动式高温熔体黏度仪测量Sn-0.7Cu无铅钎料黏度,通过黏度与表面张力之间的换算关系,从而计算得出Sn-0.7Cu无铅钎料表面张力。研究结果表明,Sn-0.7Cu无铅钎料表面张力随温度的增加呈现先下降后上升的变化趋势。