光滑粒子动力学方法的发展与应用

光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是一种拉格朗日型无网格粒子方法,已经成功地应用到了工程和科学的众多领域.SPH使用粒子离散及代表所模拟的介质,并且基于粒子体系估算和近似介质运动的控制方程.本文分析和综述了SPH模拟方法的发展历程、数值方法与应用进展.介绍了SPH方法的基本思想;从连续性、边界处理、稳定性和计算效率4个方面阐述了SPH方法的研究现状;介绍了SPH方法近年来在可压缩流动、不可压缩流动以及弹塑性材料高速变形与失效方面的一些典型应用;并对SPH方法的发展与应用进行了预测与展望.

高速列车横风气动力数值计算研究

采用雷诺平均的方法对高速列车横风稳定性进行了数值模拟,重点研究了列车在侧偏角为8.77°下的横风特性。研究对象为高速列车的风洞缩比模型,将数值计算结果与实验值进行了对比。鉴于当前各类软件针对复杂列车车体横风稳定性的计算仍然不成熟,首先进行了三类商用软件的数值计算比较,分析了不同软件计算结果的精度差异。针对复杂列车外形的网格划分也是数值计算中的重要组成部分,针对两套列车网格进行了分析,研究了网格对计算精度的影响。在与实验值拟合最好结果的基础上,还着重研究了列车在横风作用下的气动特性。背风侧上下侧面拐角位置的流动分离是横风效应的最明显特征,由于流动分离而产生的涡系沿着列车背风侧向下游延伸,并且其强度也不断增强。本文还从气动力角度对横风特性展开了研究。横风条件下列车气动力与无横风相比有较大差异,对列车不同部位的气动力及其组成等进行了分析。

含金属微粉泡沫材料中爆炸波衰减规律实验研究

设计并制备了一种新型的聚氨酯泡沫材料,研究了爆炸波在该材料中的衰减规律.材料的主要设计原理是在聚氨酯材料中均匀混合了10μm量级的金属微粉,以提高骨架的吸热能力,从而提高其抗爆性能.搭建了实验平台并分别测量了爆炸波在相同孔隙率下含金属微粉和不含金属微粉的聚氨酯材料,同时测量了不同金属微粉含量的聚氨酯材料中的传播特性.实验结果表明:含金属微粉的聚氨酯材料具有更好的抗爆性能.

航行体垂直出水载荷与空泡溃灭机理分析

针对航行体水下垂直发射出水载荷机理问题,首先开展了典型工况全过程的数值模拟,得到了航行体肩、尾空泡及表面压力的演化过程,并与试验结果进行了对比验证.在此基础上揭示了航行体肩部空泡溃灭的过程和机制,进而提出了出水溃灭压力的物理模型,探索了空泡厚度、水层厚度、声速等重要参数的影响,讨论了试验溃灭压力相似律等相关问题.

粉质黏土周期荷载后的不排水强度衰化特性

在3种不同围压下进行了一系列重塑粉质黏土的静三轴和动-静三轴不排水剪切试验,得到了不同动应力水平条件下粉质黏土的孔压、动应变和不排水剪切强度值。通过对土样的不排水强度、孔压和动应变的无量纲化处理,确定了周期荷载作用后粉质黏土的不排水强度比与动载引起的孔压比和动应变比之间的相关关系。试验结果表明:粉质黏土在周期荷载作用后的不排水强度衰减程度取决于动载引起的动应变比值和孔压比值。当周期荷载引起的动应变比值小于0.1时,孔压比增长较快,土样的不排水强度几乎没有衰减;当动应变比大于0.1时,孔压比增长变慢,土样的不排水强度明显衰减;当动应变比值接近1时,孔压比值达到0.9,土样的不排水强度衰减程度约达到55%。

基于双重逾渗模型的裂隙多孔介质连通性研究

孔隙和裂隙是裂隙多孔介质的2种渗流通道。在低渗和特低渗情况下,孔隙和裂隙能否构成贯穿的通道,决定介质能否发生渗流。针对低渗和特低渗裂隙多孔介质的连通性,结合孔隙逾渗理论和裂隙逾渗理论,提出一种双重逾渗模型。基于该模型,提出能够反映和比较裂隙多孔介质连通性的2个量化参数A0和D,并重点讨论这2个量化参数物理意义。根据A0和D这2个参数分析裂隙多孔介质的连通性特征。分析结果表明,以D=2为临界值,可以将裂隙多孔介质分为3种类型:"弥散型"、"临界型"、"指向型"。当D>2时,介质具有自封闭趋势,属于"指向型";随着孔隙连通和裂隙方向随机性的增强,这种自封闭趋势会被破坏,使介质趋向于"弥散型",即利于连通。少量长裂隙的存在对介质的连通性起决定作用。

透空式梳式防波堤的数值模拟和波浪透射系数的研究

基于FLUENT求解器,采用源函数造波方法建立了三维数值波浪水槽,应用不同的造波源函数生成线性波浪、二阶Stokes波浪和不规则波浪。建立了规则波浪和不规则波浪与梳式防波堤相互作用的数值模型,验证了水平波浪力折减系数和堤前反射率的数值结果;并对梳式防波堤有效减小波浪力的机理进行数值解释。对透空式梳式防波堤的透浪特性进行研究,结果表明堤后的透射波浪随翼板与前墙的距离b/L的增加呈抛物曲线形式变化;随翼板开口高度c/d的增加而线性增加;并基于数值结果给出透空式梳式防波堤波浪透射系数的经验计算公式,便于工程设计的需要。

单向流作用下淤泥质黏土起动试验研究

为掌握淤泥质黏土的起动规律,采用水体灰度和水流速度同步测量的方法,对不同沉积密度条件下淤泥质黏土的起动特性进行了试验研究.试验结果表明:淤泥质黏土的起动现象可用弱起动和普遍起动描述.弱起动床面冲刷率低,水体灰度值的变化约为10;普遍起动床面冲刷率明显提高,灰度曲线发生突变的附近为普遍起动,相应的灰度值变化一般超过20.普遍起动流速约为弱起动流速的1.5倍.

水冷塔空气涡流导引装置的数值模拟

使用FLUENT软件,对水冷火电厂的水冷塔换热进行了数值模拟,解决了物模实验难以模拟热力因素的困难。同时还对采用"空气涡流导引装置技术"的水冷塔和传统水冷塔,在不同环境风影响下的换热效率进行了对比。结果表明,采用"空气涡流导引装置技术"的水冷塔换热效果优于传统水冷塔,抵抗大风的能力更强。

耗散粒子动力学处理复杂固体壁面的一种有效方法

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)作为一种介观尺度拉格朗日型粒子方法,已经成功地应用于微纳米流动和生化科技的研究中.复杂固体壁面的处理和壁面边界条件的实施一直是DPD方法发展及应用的一个障碍.提出了处理复杂固体壁面的一种新的方法.复杂固体区域通过冻结随机分布并且达到平衡状态的DPD粒子代表;所冻结的DPD粒子位于临近流动区域的一个截距内;在靠近固体壁面的流动区域中设置流动反弹层,当流动DPD粒子进入此流动层后反弹回流动区域.应用这种固体壁面处理方法对简单流动区域的Poiseuille流动和复杂多孔介质内的流动进行了分析.研究表明,这种新的固体壁面处理方法能够有效模拟复杂固体区域,准确实施壁面边界条件.

水幕减爆防护技术数值仿真

高能炸药爆轰爆炸在极短的时间内产生强烈的冲击波,对周边的结构造成严重的破坏,并导致附近人员的伤亡.水幕减爆作为一种新颖的防护技术,通过在装药或者需要保护结构的外面布置水袋,利用水的加热、压缩和蒸发转移爆炸产生的能量,改变爆炸冲击波的传播方式,减弱爆炸冲击波的影响.建立安全可靠、稳定有效的水幕减爆装置需要大量的参数分析,从而进行优化设计.数值实验仿真提供了研究水幕减爆成本低廉并且没有任何危险的可行方式.传统的网格方法模拟水幕减爆问题存在很多困难.该文应用无网格粒子方法SPH对不同状况下的水幕减爆问题进行了一系列研究,得到一些初步的研究结果,对水幕减爆防护装置的设计和布置具有一定的指导意义.

基于模型减缩的并行共轭梯度算法研究

有限元并行计算被应用于求解大规模工程问题。为进一步提高计算效率,将模型减缩方法引入到并行计算区域划分步骤中,采用共轭梯度法,推导了适用于分布式并行环境的模型减缩并行算法。该方法在模型减缩的基础上,将边界节点进一步分为"本地节点"和"共享节点",各任务处理器仅交换"共享节点"相关数据,降低了数据交换量,同时仅保存降阶后的区域矩阵,减少了内存存储。编制了MPI并行计算程序,并通过算例对该方法和普通有限元并行方法进行了比较,验证了算法的有效性。

波浪作用下海床土体的孔隙水压累积响应

提出了一种模拟波浪作用下海床土体动态孔隙水压累积响应的有限元模型，与Clukey et a1．（1983）的波浪水槽实验结果进行了验证分析。通过算例，研究了海床土层厚度对孔隙水压累积速率和残余孔压幅值，以及累积液化深度的影响。结果表明，累积液化深度随海床厚度的增大而逐步增加；当土体厚度接近一个波长时，液化深度趋于无限厚度海床液化深度的理论值。

轴对称壳体结构损伤识别方法研究

在对结构健康监测中的损伤识别方法进行调研与总结的基础上,针对某轴对称壳体结构开展损伤识别的动力识别方法研究.作者利用数值模拟技术评估了常用的动力损伤识别方法的有效性,选取出对研究对象损伤识别敏感量并实验验证指标识别有效性.进而在标识量敏感性分析的基础上,针对原有指标不足之处,提出了新的敏感指标,并与原有指标通过数值模拟对比验证其识别效果优越性.

激光冲击强化靶背面自由表面速度的全光纤光子多普勒测速法测量

用现有的光纤通信器件,搭建了全光纤光子多普勒速度测量(Photonic Doppler Velocimetry,PDV)系统;用PDV系统测量了激光冲击强化(Laser Shocking Peening,LSP)靶背面自由表面速度。提出了一种称为微分法的新的PDV数据处理方法,并证明了与传统条纹法相比,在相同的硬件条件下,不但提高了测量精度,而且扩大了测量范围。用微分法对LSP实验中的测量数据进行了处理,实现了运动初始阶段自由表面瞬时速度的精确测量,因此微分法对冲击波与轰爆波中瞬态加速过程的数据处理特别适用。

激光冲击强化过程中蒸气等离子体压力计算的耦合模型

首先基于系统能量守恒条件,提出了一种计算蒸气等离子体压力的一维耦合计算模型。模型中不仅考虑了蒸气等离子体界面压力与质点速度的非线性效应,同时也考虑了界面烧蚀所致的运动速度,将蒸气等离子体的膨胀与约束介质的变形耦合。在耦合模型的基础上,采用显式差分计算程序与显式有限元计算程序LS-DYNA互相迭代求解的方法,对不同激光功率密度分布下的蒸气等离子体压力进行了计算。结果表明,计算结果与实验测量结果具有很好的一致性,证明了计算模型的合理性。

单向流作用下近壁面圆柱的流向振动

在单向流水槽中对近壁面圆柱体的流向振动进行了实验模拟。分析了圆柱流向振动位移时程曲线,探讨了圆柱振动频率随水流速度的变化特征。研究了圆柱振动幅值和频率的变化特性,结合圆柱尾迹涡的变化规律,分析了流向振动的起因。实验结果表明:随着流速的增加,圆柱流向振动经历了发生、发展和消失的变化过程,振动频率呈现出缓慢增长的趋势;在流向振动触发初期和后期衰退时,流向振动频率存在多值现象,频谱中呈现多个谱峰;圆柱流向振动所对应的约减速度范围明显小于横向涡激振动所对应的范围。

基于随机减量技术的模态参数识别方法探讨

大型基础工程结构的特征参数识别通常是通过对环境载荷激励的结构响应进行分析来实现,随机减量(Random Decrement,RD)技术是环境激励下的模态参数识别方法中应用较广的方法。在实际应用中受环境、测量等条件的限制,信号常为含有某些优势频率的非平稳信号,常常导致随机减量技术在识别结构参数尤其是系统阻尼时带来较大误差。为提高随机减量技术在环境激励作用下识别结构参数的准确性,文中从分析随机减量信号频谱中的频率分布特性入手,结合随机减量函数产生的触发条件,给出了一种利用信号频谱的统计特征进行模态参数识别的方法。数值仿真结果表明该函数能准确识别在含有优势频率环境载荷作用下的结构参数。

结构健康监测系统中传感器优化布置组合算法

在对结构健康监测中的传感器优化布置方法进行调研和总结的基础上,针对薄板、壳结构开展传感器优化布置的研究.提出了一种有效的传感器优化布置组合算法,由模态动能法、模态保证准则、遗传算法组合而成.该方法所得的传感器位置主要位于动态响应比较大区域,有利于提高信噪比;同时能够有效地保证模态振型的独立性,可以较完整地获得结构模态信息.针对这种组合算法的有效性采用简易机翼模型从数值计算和实验两方面进行了验证.

刚性圆柱结构顺流向涡激振动特性分析(英文)

文章研究了刚性支承圆柱的顺流向涡激振动特性,在第二激励区域,运用van der Pol方程描述漩涡脱落的尾迹特性,采用尾流振子模型计算圆柱结构的响应,讨论和分析了质量-阻尼参数、质量率和结构阻尼对顺流向涡激振动的影响机理。