基于模拟有限差分的嵌入式离散裂缝数学模型

嵌入式离散裂缝模型划分网格时不需要考虑油藏内的裂缝形态,只需对基岩系统进行简单的网格剖分,可以大大降低网格划分的复杂度,从而能够提高计算效率.并且该模型可以将现有成熟的油藏数值模拟技术和离散裂缝网络模型有机地结合起来,能精细地模拟流体在裂缝性油藏中的流动.本文模型求解采用模拟有限差分方法,该方法基于单个网格的节点和面信息构造数值计算格式,理论上适用于任何复杂网格系统,且具有良好的局部守恒性,将其推广到嵌入式离散裂缝模型后,克服了该模型基于有限差分方法求解时不能有效处理全张量形式的渗透率以及不适用于复杂边界形状裂缝性油藏的局限性.最后通过实际算例验证了本文方法的正确性和优越性.     

耦合多水动力过程的二维山坡产汇流数值模型及其在壤中流模拟中的应用

基于物理性水分运动方程的山坡产汇流数值模型是进行降雨产流机制和规律研究的重要工具,当前还缺乏耦合地表水、土壤水和地下水多水动力过程的、具有较高计算效率和稳定性的二维山坡产汇流数值模型．本研究耦合地表水流动的圣维南方程组、变饱和土壤水分运动的Richards方程,采用有限差分法,对边界条件进行了改进,建立了THRM模型,对实验山坡实测壤中流过程有很好的模拟效果,通过数值试验揭示了边界条件、网格大小、初始含水率等对计算稳定性和计算效果的影响规律,所建模型对于山坡产流研究有应用价值,分析结论对壤中流数值模拟有参考意义．     

百叶窗式翅片散热器的数值模拟和实验研究

先对百叶窗式翅片散热器进行了理论计算;然后对其物理模型进行合理的简化处理,利用ANSYS软件,采用SIMPLE算法和标准k-ε湍流模型,通过求解三维N-S方程和能量方程模拟了散热器的散热过程;最后进行了试验研究。试验测试和理论计算、数值模拟三者数据基本吻合,说明数值模拟方法能真实反映百叶窗式翅片散热器的传热特性,为散热器的设计和改进提供理论依据。     

港口非线性波浪三维耦合计算模型研究

建立了外域用差分求解高阶Boussinesq方程、内域用有限元求解Laplace方程的三维非线性波浪对船作用的时域计算耦合模型.研究了该类三维耦合模型的匹配条件,耦合求解过程和内域、外域公共区域长度的确定,探讨了内域有限元网格的剖分方法.把该耦合模型的计算结果与实验结果、内域用Euler方程的耦合模型计算结果进行了对比,结果表明该耦合模型具有满意的精度,适用于模拟较大区域内波浪对三维船等固定物体的作用,为今后近海岸大区域非线性波浪对三维非规则物体作用的时域计算和三维分区计算提供了参考.     

基于单元劈裂法的全耦合水力压裂数值模拟

单元劈裂法(element partition method, EPM)是一种裂纹模拟方法,它利用三角单元的几何性质推导了劈裂单元的刚度矩阵.当有裂纹穿过时,三角单元转化为劈裂单元,可自动地将裂纹面之间的相互作用反映到计算模型中.通过这种方式,可以在背景网格中嵌入任意条裂纹而不需要引入额外自由度,避免了节理单元的设置及网格重构.这使得EPM在大规模节理计算方面具有较强的优势.为了更有效地模拟水力压裂,建立了劈裂单元的全耦合水-力方程,可同时考虑劈裂单元内水压对结点力的作用以及结点速度场对渗流场的作用. KGD模型验证结果表明该方法是有效的.该方法可以有效地模拟多裂纹水力扩展及汇合过程,为复杂地层压裂模拟提供了一套简单、有效的计算方法.     

考虑裂尖点的三角单元劈裂法

在模拟固体断裂,尤其是固体中含有较多初始裂纹时,如何有效地处理裂纹和网格划分是一个关键问题．三角单元劈裂法（TEPM）是处理该问题的一种有效方法．在网格划分时,它可以不用考虑裂纹体的几何完整性而直接对裂纹体进行网格划分,然后通过三角单元劈裂技术直接将裂纹的力学性质反映到数值模型中,为裂纹的数值模拟带来了极大的方便．目前,已有的TEPM虽然已经考虑了劈裂单元的块体变形问题,但还没有考虑裂纹尖点问题,由此所产生的误差将随着单元尺寸的增大而显著增大．为了解决这一问题,通过移动最小二乘法将裂纹尖点的位移与其邻域内实结点位移建立了联系,从而能更精确地再现裂纹周边的位移场．数值分析表明,这种考虑裂尖点的TEPM在不用重新划分网格的基础上与传统有限单元法计算精度基本一致,使TEPM摆脱了单元尺寸的限制．TEPM与扩展有限单元法（XFEM）的主要区别在于,TEPM不用处理位移的非连续性问题,也不用结点富集插值技术（Node enrichment）,同时也没有引入额外的自由度,实现过程更为简单．     

民机客舱热载荷的数值计算

以桌型客机为例,将客舱复杂围护结构划分为三部分。据此建立各区域单元结构的三维数值计算模型,并对不同外界环境下客舱的热流密度及传热量进行了数值仿真。结果与传统计算方法吻合良好,研究工作对于我国大型飞机热载荷的计算具有参考价值。     

基于矿床实体模型的地质储量计算方法研究

矿床三维地质模型是实现“数字矿山”的基础,本文以AutoCAD为平台,利用钻孔数据、断层数据等建立矿床三维地质模型,提出了一种快速构建矿床三雏地质实体模型的方法——包络面构模法。在建立矿床三维地质模型的基础上,介绍了一种基于矿床三维地质实体模型的储量计算方法,实现了矿床三维地质模型上任意闭合区域资源储量的查询,与传统地质储量计算方法相比,提高了计算的速度与精度。     

叶轮内部流动分析及结构优化

借助计算流体流动和传热问题的三维流体计算软件FLUENT,对单级离心压缩机模型的叶轮内部流场进行了数值模拟,揭示了其内部流动规律;并找出计算模型结构设计中存在的问题,有针对性的进行结构优化。     

近场动力学与有限元方法耦合求解复合材料损伤问题

本文提出了一种求解纤维增强复合材料破坏问题的近场动力学方法(peridynamics, PD)/有限单元法(finite element method, FEM)耦合方法.根据PD方法求解含裂纹等不连续问题以及FEM高效求解的优势,将模型划分为PD区域、FEM区域和耦合区域.其中包含裂纹的区域采用PD建模,其他区域采用FEM建模,两区域的结合部分为耦合区域.该耦合方法操作简单, PD粒子与FEM节点之间没有重叠区域. PD粒子与其域内所有粒子(包括PD粒子和FEM节点)以非局部方式连接, FEM节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用.该耦合方案模拟的复合材料损伤状态与纯PD方法模拟结果相符,但该耦合方案可有效地提高计算效率.     

模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法

主要目的是概述用于模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法.该方法可同时模拟近域介质材料的复杂性和远域介质的无限延伸性.以描述二维和三维弹性和粘弹性固体介质中的波动方程为基础,推导了动力无穷元的质量矩阵和刚度矩阵.所建立的二维动力无穷元模型可同时模拟P波和SV波在该单元中的传播;而所建立的三维动力无穷元模型则可同时模拟P波,S波和Rayleigh波在该单元中的传播.有关计算结果表明:有限元与动力无穷元耦合方法既可从物理概念上、又可从数值方法上较为精确地模拟波在弹性和粘弹性固体无限域中的传播,为解决在科学研究和工程实践中所涉及到的无限域问题提供了一种先进的科学研究工具.     

手舟骨的有限元建模及其损伤分析

目的 基于医学DICOM格式的图像,不经过二次转换并快速且准确的建立舟骨有限元模型,从而得到可以用于舟骨应力分析的有限元模型,并通过模拟手舟骨损伤来分析不同的受力特点. 方法 选择健康成年男性志愿者,进行高精度螺旋CT扫描,将得到的DICOM 3.0医学图像数据,导八MIMICS医学影像软件并生成实体模型,然后应用通用有限元分析软件ANSYS 11生成有限元模型.约束边界条件,模拟舟骨轴向压力进行加载,得出舟骨有限元模型上的应力分布与应变结果,并模拟舟骨不同损伤的力学改变. 结果 建立的舟骨三维有限元模型共有节点73588个,单元397344个.所建模型结构完整,空间结构准确,单位划分精细,轴向压力作用下加栽模拟形象、逼真,客观反映舟骨三维解剖形态结构和生物力学特点. 结论 应用高精度螺旋CT成像的DICOM 3.0数据,并与MIMICS和ANSYS相结合的方法快速建立舟骨的三维有限元模型是切实有效和可行的;有限元方法可较好的分析手舟骨及其损伤的生物力学特点.     

三维离散元方法及其在冲击力学中的应用

离散元方法是近年来国际上出现的几种新概念数值模拟方法之一. 探讨了三维离散元理论模型, 推导了稳定性条件, 参数确定方法等, 并对几种典型的冲击动力学问题进行了三维数值模拟, 模拟结果与实验有较好的一致性. 由于不受连续介质力学3个支配方程的显式限制, 且无网格, 离散元方法在各类非连续材料、多相混合物、非均匀局域以及大变形和结构失效破坏等复杂过程及其机理的研究中将有广泛的用途.     

某铅锌矿垮塌区隐患资源回采顺序数值优化

结合某铅锌矿矿山垮塌区开采技术条件复杂的工程实际,基于高效安全回采矿石的思想,提出了4种可行的回采方案。运用MIDAS/GTS有限元软件,构建了垮塌区复杂开采条件下的三维数值模型,并采用FLAC3D数值模拟软件对垮塌区的失稳垮塌进行了数值模拟分析,确定垮塌区的影响范围和科学经济的回采顺序,为安全高效地回采矿石提供技术支持。研究表明:0#空区的失稳垮塌影响了5个采场的安全开采;优化后的回采顺序为先确保充填体质量,再由两边向中间开采。     

基于FLUENT的高压气体检测雷管空管体的流场分析

基于计算流体力学,借助软件Fluent建立了高压气体检测空管体暗伤的简化模型,并对暗伤处的流场进行了数值模拟分析,针对被氧化膜覆盖的暗伤进行检测,对提高检测的速度和准确性具有十分的积极意义。     

三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究

针对大部分水库调度模型中水沙输移计算大幅简化且与库水位计算过程间只有单向耦合的问题,本研究构建了基于激波捕捉式有限体积法与河网算法的库区水沙调度模型.该模型采用河段连接单元内水沙质量与动量守恒方程的准二维求解算法,河网算法可以反映干支流交汇角的影响,并且使用OpenMP技术实现了并行求解.该模型的水库调度模块将调度方案表示为5个触发条件和4个调度指令参数构成的调度规则表,由水沙动力学模型向调度模块提供入库监测断面的水沙条件与实时更新的水位库容关系,水库调度模块为水沙动力学模型提供库区下游边界条件,从而实现两者双向耦合.采用2020年三门峡库区实测水沙数据进行了模型验证,库区三个河段的水位、流量和含沙量计算结果与实测值相符,在坝前水位最快下降速度达到2.3 m/h的敞泄排沙时段,数值计算过程稳定且成功预测了出库沙峰.针对近年黄河来沙量减少而潼关高程下降趋势并不稳定的问题,应用模型开展了三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究,通过对不同的汛期和非汛期调度方案的模拟分析,初步确定了坝前控制水位对于年内库区冲淤量和潼关高程影响显著的时期,研究结果可以为三门峡水库调度方案进一步优化提供思路.     

沉箱式防波堤振动-滑移-提离摇摆耦合运动模型及动力设计方法

振动、滑移和提离摇摆是动力荷载作用下沉箱式防波堤的3种基本运动形式, 建立了沉箱式防波堤振动-滑移-提离摇摆耦合运动的动力模型和数值模拟方法, 对近破波冲击作用下沉箱式防波堤的运动过程进行了数值模拟, 计算了振动模型、振动-滑移运动模型、振动-提离摇摆运动模型和振动-滑移-提离摇摆耦合运动模型下沉箱的位移、转角、滑移力和倾覆力矩的响应时程, 研究了沉箱运动模型对防波堤运动特性和稳定性的影响, 分析了近破波冲击作用下允许沉箱式防波堤出现滑移和提离摇摆运动的动力设计概念的可行性.     

基于窗技术的多孔介质材料力学性质的数值均匀化方法

相比解析均匀化方法,数值均匀化可以精细模拟表征元模型的受载过程和复杂力学行为,从本质上识别材料的有效力学性质,然而,当模型边界单元存在孔隙时,易使边界不满足线性位移边界条件,导致求解过程收敛较困难.为此,受自洽解析均匀化方法的启发,本文提出了"窗技术"优化方法,即通过增加外围基质"窗体"优化随机表征元网格模型,借助采用的表征元模型重构方法和数值网格离散方式,建立了更易非线性求解的表征元网格模型,基质窗体的性质由自洽方法迭代获得,从而发展了多孔介质材料有效力学性质的数值均匀化方法.在此基础上,探讨了窗体基质宽度和实际有效力学性质的关系;并以砂浆力学性质试验数据为依据,验证了方法的可行性和有效性.结果表明,文中方法可以可靠地模拟多孔介质材料表征元模型的受载响应,获得其有效力学性质.     

基于有限差分的直接顶稳定性影响因素的数值模拟分析

基于有限差分计算方法,利用flac2d有限差分数值模拟软件,在不考虑节理间距的情况下对不同结构参数和不同力学参数的直接顶垮落过程进行数值模拟;分析直接顶力学参教、结构参数与直接顶稳定性的数值关系;并得出了直接顶的力学参数和结构参数对直接顶稳定性的影响结果,为制定岩层控制措施,支架选型及支护参数以及直接顶的稳定性分类提供一定的理论依据.     

大型地下洞室群地质信息三维可视化分析与应用

提出采用三维地质建模技术进行大型地下洞室群地质信息可视化分析的研究方法，构建了模拟真实地质形态的地下洞室群地质三维可视化模型，直观准确地描述了工程所处的地质条件和地质环境。基于所建立的地质模型，可实现与地下洞室群相关的多项地质信息的三维可视化分析。工程应用表明该方法可为应对复杂地质条件下地下洞室群设计与施工中的地质问题提供一种有效的分析手段。