笛卡尔网格下不同湍流模型的壁面函数方法研究

自适应笛卡尔网格湍流模拟时,网格数目呈雷诺数的指数方量级增长,带来网格规模“灾难”问题。壁面函数方法可以将壁面第一层网格尺度放宽1~2个量级,是有效的解决办法之一,然而,由于笛卡尔网格的非贴体特性,壁面函数的实现及其与不同湍流模型的匹配是关键。针对这一问题,从经典的Spalding壁面函数出发,采用显式赋初值的方式,解决了壁面摩擦速度迭代求解初值敏感及分层壁面函数速度不光滑问题;基于切应力恒定的壁面条件,构造了多层虚拟网格的切向速度和湍流粘性系数,实现了笛卡尔网格下的壁面函数方法;采用结构系综理论,通过DNS数据标定,构造了湍动能随湍流粘性比率变化的关系式,实现了壁面函数与KDO湍流模型的匹配,并以平板T3b、湍流凸包和跨音速NACA0012翼型绕流为算例,与常用的SST、SA湍流模型壁面函数方法进行了对比分析。结果表明:该文提出的KDO湍流模型壁面函数法准确、可靠,且因其形式简单、计算量相对较小,有较大的推广应用价值。

处理地下水模型单元疏干-湿润的两种算法对比研究

在使用网格单元中心差分格式的地下水模型中,对地下水网格单元“疏干(干)-湿润(湿)转化”的模拟极易引发模型迭代不收敛等异常情况,很大程度上影响模型的应用。本研究使用理想案例和丹麦应用实例,综合比较了MODFLOW模型的试算法与COMUS模型的全有效单元法对网格单元“干-湿转化”问题的模拟能力及算法特性。结果表明:(1)试算法的参数组合选取对模拟的收敛性和模拟结果都有明显影响,使用试算法时需要不断优化参数组合以避免模型迭代不收敛或模拟失真等异常情况,很大程度上增加了用户使用模型的难度和时间成本;(2)全有效单元法的模拟结果比试算法的模拟结果更具可靠性,全有效单元法的作用等同于理论上最优的试算法参数组合,使用全有效单元法时用户无需进行复杂的参数组合工作,因此该方法能有效降低模型的使用难度与模拟结果的不确定性;(3)全有效单元法中单元间水平向水力传导度算法实现了可以与经典调和平均法相比较的数值计算精度,说明全有效单元法在不涉及网格单元“干-湿转化”问题的地下水模拟中同样具有应用潜力。综上所述,全有效单元法更适用于处理地下水模型单元的疏干-湿润转化问题,并且有望在地下水数值模拟领域中得到更为广泛的应用。

自适应笛卡尔网格Ghost Cell方法研究

在笛卡尔网格中,利用Ghost Cell方法处理浸入边界,模拟二维无粘可压缩流。针对静止物体,比较了各种不同的Ghost Cell边界条件下的熵误差,总压误差,以及阻力系数。此外为提高激波分辨率,将Ghost Cell方法与基于叉树结构的自适应笛卡尔网格算法相结合,数值结果显示本文的方法是切实可行的。

基于Ghost Cell方法的MWENO格式Euler方程求解

采用一种高精度MWENO(multi-weighted essentially non-oscillatory)格式在结构网格上求解可压缩Euler方程。该格式在处理具有复杂几何外形绕流问题时遇到较大困难,而虚拟单元方法却是一种较新颖且对网格的要求较低的方法,适用于此种情况下的边界处理。将两者有效结合起来试图在笛卡尔网格上处理具有复杂几何外形的物体绕流问题。数个经典数值算例的结果表明所提出的方法切实可行。

二维功能梯度材料热传导格点型有限体积法研究

为了分析二维功能梯度材料热传导问题,发展格点型有限体积法,本文利用交错网格技术处理任意空间分布的材料物性,并使用C++语言开发数值求解程序。利用该程序分析不同网格类型下功能梯度材料圆环和不同边界条件下功能梯度材料板的热传导问题。结果表明:发展的格点型有限体积法对于线性三角形单元及双线性四边形单元的适用性良好,不同边界条件下格点型有限体积法解与解析解的误差不超过±0.12%,验证了求解程序的正确性。与有限元及解析解结果对比发现,当结构角点处存在剧烈温度变化且网格较为粗糙时,有限元结果出现数值振荡的现象,而格点型有限体积法结果仍然合理。分析表明:对于复杂的功能梯度材料热传导问题,格点型有限体积法比有限元方法具有更好的数值稳定性。

两串列方柱绕流的干扰数值研究

用数值方法研究了绕流两串列方柱的气动力及其相互干扰 ,使用了经改进的标志网格 (MAC)方法对相同尺寸的方柱在不同间距比下的流场进行了数值模拟 .结果表明 :实验中观测到的两串列方柱的阻力不随两方柱的间距比连续变化 ,而是在临界间距比时出现不连续跳跃的现象得到了成功的再现 ,数值计算所得的阻力值与风洞实验值吻合得比较好 .

等离子体密度对栅极系统束流影响分析

针对现有离子推力器栅极系统束流引出分析中未考虑放电室等离子体密度均匀性影响的不足,基于数值方法对该问题进行了研究。采用单元内粒子(Particle In Cell,PIC)方法对栅极系统束流引出进行了数值模拟。PIC方法中电场求解采用有限差分方法,离子加速方法采用跳蛙格式。以国产20cm Xe离子推力器作为算例,计算得到了栅极中心和边缘孔引出束流离子和电场的分布。结果显示栅极中心孔相对边缘孔束流聚焦性好,束流发散角小,但中心孔轴线的鞍点电势较边缘孔高24.8V。因此,放电室等离子体密度分布对束流引出具有重要影响,电子返流现象最先出现在栅极中心位置。

几何与物理相结合的三维域颗粒堆积算法

在离散元仿真和离散元与有限元耦合问题的前期准备阶段,必须快速在一个指定区域产生互不交迭的、堆积密度尽可能高的颗粒集,以模拟真实的离散状物质.文中针对三维域颗粒集的生成,提出一种几何与物理相结合的颗粒堆积移动模型.首先采用构造法在容器底部产生第一层颗粒.对于后续颗粒的移动方向,其与容器边界接触按物理学弹性碰撞理论计算;与颗粒接触按纯几何方法计算,即以连续2次接触点的法线向量的叉积向量确定新的移动方向,且使新方向有向下的趋势.该模型保证颗粒连续3次接触的目标不同,其稳定态位置快速收敛于3个支撑目标之上,从而满足颗粒静止的物理条件;颗粒间的接触检测基于容器区域规则划分的网格单元,并充分利用颗粒移动模型的特点,根据颗粒的位置和移动方向,按网格层、网格行在网格单元中寻找即将接触的颗粒.实例结果表明,最终产生颗粒集的时间与颗粒数量成线性关系,且颗粒集密度高,耗时也比较短.

离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀的粒子模拟

为研究离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀速的特征及影响规律,采用单元内粒子——蒙特卡罗碰撞(PIC-MCC)方法,结合溅射腐蚀模型,模拟了栅极间束流离子及交换电荷(CEX)离子的分布情况,得到离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀情况及平均腐蚀率,为0.0176μm/h。进一步研究了工作参数和几何参数对其影响,并建立了适用于工程应用的加速栅极孔扩大腐蚀预测模型。结果表明,在影响孔扩大腐蚀率各种因素中,束流电流密度和中性气体密度的影响最大。因此,在离子发动机直径一定的情况下,提高放电室出口等离子体密度的均匀性及推进剂利用率,是提高栅极寿命的根本途径。

与找矿信息量法结合的含矿网格单元蒙特卡洛矿产资源潜力评价方法的原理及应用

文章介绍了以含矿网格单元为统计单位、并与找矿信息量法结合的蒙特卡洛矿产资源潜力评价方法的原理和工作步骤,以及用该法进行丹池锡多金属成矿带锡矿矿产资源潜力评价工作案例,表明该法可以把评价工作区的矿产空间分布信息、成矿模式和找矿模型、成矿-找矿空间信息引入蒙特卡洛方法中,无需人类专家估计矿床个数,减少了工作步骤,提高了工作效率和自动化程度,减少了因人为主观性而造成的评价误差。

基于有限体积格式的自适应笛卡尔网格虚拟单元方法及其应用

基于自适应笛卡尔网格,结合虚拟单元方法处理浸入边界,发展了一种有限体积格式实现模式,数值模拟了二维无粘可压缩流动。本文发展的方法相对于传统的有限差分方法具有执行效率快,易于获得守恒性等优点。最后,利用一些标准算例和多物体流场的计算问题验证了算法的有效性。

重叠网格装配中的一种改进ADT搜索方法

针对现有交替数字二叉树(ADT)方法的不足,引入辅助笛卡儿网格提出了一种基于散列数据结构的改进搜索方法以缓解可能出现堆栈溢出的问题和提高重叠网格装配的效率。该方法以散列数据结构的方式对网格单元进行存储和搜索,首先以辅助笛卡儿网格对网格单元的存储空间进行初步映像,然后基于ADT搜索树作进一步检索。在ADT搜索方法的基础上,笛卡儿网格的引入进一步缩小了网格单元的搜索范围使得改进方法具有更好的效率。基于单个网格节点,查询深度和搜索耗时的测试显示改进方法相比现有ADT搜索方法能使挖洞的平均效率提高25%以上。此外,挖洞结果和基于网格装配的数值计算验证了改进搜索方法在重叠网格装配中的可靠性。

可压缩粘性流动笛卡尔网格虚拟单元方法研究

以二维高雷诺数可压缩粘性流动问题为背景,提出了一种全新的笛卡尔网格虚拟单元方法。基于壁面函数基本假设,构造了壁面函数-虚拟单元方法(WF-GCM),用于定义湍流壁面边界条件。引入参考点的概念计算虚拟单元上的基本变量与湍流变量值,定义了"非贴体"笛卡尔网格下的湍流壁面边界条件,并通过壁面函数模型修正近壁面单元与界面单元。基于自适应笛卡尔网格体系,采用发展的具有二阶精度的格心格式有限体积求解器,数值模拟了跨音速RAE2822翼型绕流问题与超音速圆柱绕流问题,计算结果与实验值吻合良好,显示了WF-GCM对高雷诺数可压缩粘性问题是有效的。

对旅行时进行抛物型插值的地震射线追踪方法

提出一种对旅行时进行抛物线插值的地震射线追踪方法(简称PTI方法),它比基于旅行时线性插值方法(简称LTI方法)计算结果更准确.PTI和LTI方法都是基于2D网格单元模型,用于计算地震波的旅行时和射线路径.首先介绍了相关方法的一些基本概念.旅行时和射线路径都是在网格边界上进行计算的,因此,射线路径在同一恒速网格内是直线.其计算过程有两步.第一步,计算旅行时,第二步追踪射线路径.然后给出了LTI算法的基本公式.因为在炮点网格内可能存在折射波,文章也相应导出了其公式.最后详细推导了PTI方法的公式.通过模型试算对比说明,用PTI方法较LTI算法更精确、更有效,PTI方法是一种很有发展前途的地震射线追踪算法.

HTPBⅠ型裂纹粘弹性有限元分析

在简化模型的基础上,推导了复合固体推进剂中Ⅰ型拉伸裂纹的裂尖区域应力、应变与位移的关系式,并进行了粘弹性有限元方法分析。结果表明,有限元分析能获得具一定精度的结果,并与理论分析基本吻合。

栅元型格架对环形燃料子通道流动传热特性影响的数值模拟

栅元型格架是一种应用于环形燃料的新型定位格架,对环形燃料外部子通道的流动传热特性具有重要影响。本文针对直通型和外扩型两种栅元格架建立13×13环形燃料多跨格架计算流体力学(CFD)计算模型,通过计算速度场分布均匀性、搅混特性、阻力特性及努塞尔数(Nu)分布,对比分析了两种格架的流动传热特性。结果表明,外扩型格架能提高子通道流场参数分布的均匀性,同时具有更优异的搅混性能。

粒子模拟中阳极栅网模型的实现

在3维Yee网格和蛙跳模型上建立了一种合理的描述阳极栅网中电子散射过程的物理模型,在经典碰撞理论基础上推导了散射角和动量公式,并运用蒙特卡罗法模拟了高斯分布电子束在径向虚阴极情景下的阳极栅网散射过程。模拟结果出现了明显的虚阴极现象,平均功率0.60GW,虚阴极效率4.5%,微波主频4.7GHz,主模是TM01模。这些参数与文献模拟的数据基本符合,证明了虚阴极中阳极栅网数值模拟实现的正确性。

基于动态结构重叠网格的三维外挂物分离的数值模拟

在动态结构重叠网格技术的基础上,提出了"相邻格点搜索法"来进行洞边界的确定和贡献单元的搜寻,将传统的三维搜索转化为准一维搜索,大幅度提高了搜索效率,并对外挂物分离的非定常流场进行了数值模拟,计算结果与试验数据符合良好,说明本文的外挂物分离数值模拟方法是正确的、高效的,在工程实际应用中是可行的。

基于改进斜坡单元法的山区城镇建设用地适宜性评价

城镇建设用地适宜性评价是城镇发展规划中十分重要的基础性工作,不仅可为城镇土地利用分类与合理开发提供科学依据,也可为后续城市各项专题规划奠定基础。以重庆市云阳县双江镇为例,在充分收集资料和现场调查工作的基础上,首先通过筛选研究区城镇建设用地适宜性评价指标,选取地层岩性、坡度等10个基础指标因子构建了评价指标体系,并采用层次分析法确定指标权重;然后提出基于改进的斜坡单元法——盆域山体阴影法的评价单元划分方法,并与传统栅格单元法的评价单元划分方法进行了对比;最后采用多因子叠加模型开展了研究区建设用地适宜性评价研究。结果表明:采用改进的斜坡单元法得出的研究区适宜性评价结果更加符合双江镇实际建设用地中土地利用的现状,评价结果的实用性和精度明显优于传统的栅格单元法,可为类似地区城镇土地利用规划提供科学依据。

近40年克里雅绿洲人口时空变化对土地利用/覆盖变化的影响

研究绿洲区域土地利用与覆盖变化及人类活动对土地利用与覆盖变化的驱动作用,对全球变化科学具有重要意义。该文通过精确空间化的1975年和2015年人口数据与土地利用与覆盖(land use and land cover,LULC)数据,运用网格单元法、线性相关、空间自相关、空间回归模型等方法,兼从全局与局部定量分析克里雅绿洲40a的人口变化与LULC变化的时空动态关系,探讨人口空间变化对LULC变化的驱动作用。结果表明:1)40 a来,克里雅绿洲的扩张表现在:人口显著增加,坤长14.277 7万人并向县、乡、镇中心集聚,建设用地与耕地向南部扩张明显,林地增加但趋于破碎化,草地与水域锐减。2)人口的空间变化是克里雅LULC变化及绿洲扩张的直接驱动力,直接表现为建设用地与耕地向南扩张,间接表现为林地变化、草地变化、水域变化。人口的空间变化对绿洲扩张的内部驱动作用,与绿洲北部恶劣的自然环境、克里雅河自南向北的流向共同作用,导致绿洲向南部扩张。3)地理加权回归模型能够反映更多的异质特征。在总体相关结果下,局部区域可能出现方向相反或大小不等的相关结果。研究可为当地政策制定提供依据。