基于加速多维尺度变换算法的三维模型形变规范型计算方法

针对如何建立可有效表示三维模型,使模型在大尺度形变过程中保持等距不变特性,并能保留原模型几何细节特征的形变规范型这一问题,提出基于加速多维尺度变换算法的三维模型形变规范型计算方法。生成包含有三维几何模型体积信息的四面体网格模型,避免形变过程中由体积变化引起的模型失真;使用最远点采样算法对原模型上的顶点进行采样,获取更具代表性的顶点;使用加速多维尺度变换算法得到原始模型的初始规范型;利用三维模型注册的思想,通过建立能量函数并计算最优解的方法将输入的四面体网格模型按照初始规范型的姿态进行形变,从而得到保留输入模型几何特征的形变模型。实验结果表明,以四面体网格模型作为输入,经加速多维尺度变换算法计算得到的初始规范型为基础,通过三维模型注册能量函数的最小化求解过程,可以构建出保留更多原模型几何细节特征的形变规范型。和已有算法相比,加速多维尺度变换算法计算三维模型形变规范型的方法更适用于处理具有复杂几何结构的三维模型,可以得到姿态更为自然的模型形变结果,普适性较高。     

空间结构-地基动力相互作用数值分析时域算法研究

对于大型结构地震响应分析,结构-无限地基耦合系统动力分析的数值实现,往往由于有限元网格过多,以及地基无限域时域计算模型中存在的复杂卷积运算,严重限制了求解规模.为解决此问题,提出了基于阻尼溶剂抽取法的三维结构-地基相互作用分析的分区时域逐步求解模型.并针对三维大规模工程问题的数值求解,在积分算法及矩阵存储格式等方面,结合阻尼溶剂抽取法的特点进行了详细的探讨,以推进动力相互作用时域数值分析的实用化.以三维全空间球形空腔动力变形及大岗山拱坝的地震响应分析为例,针对上述数值实现算法进行了具体验证,并就不同的地基弹模及地震波输入方式对坝体响应的影响进行了探讨.计算结果表明,地基辐射阻尼以及河谷散射效应对结构的动力响应有很大影响,而该模型表现出了良好的精度和计算效率.     

自由状态冰块尺寸及初始位置参数对冰桨耦合水动力性能的影响

为了模拟无约束状态下自由运动冰块对螺旋桨水动力性能的影响,文章使用重叠网格方法建立了冰桨相互作用的非接触模型.计算中采用六面体网格对计算域进行网格划分,然后使用动态流体-固体相互作用方法来模拟螺旋桨抽吸作用下的冰块的运动,经与冰桨作用下冰块运动轨迹实验结果的比对,证实文章方法的准确性.通过对不同大小的冰块、冰块的初始径向位置、初始轴向位置等参数变化下的螺旋桨水动力性能计算结果分析,得知:运动的冰块后方会出现一定的加速区和阻塞区.冰块大小会直接影响螺旋桨水动力性能,大尺寸的冰块在接近螺旋桨时阻塞效应比小尺度冰块更大,对螺旋桨的水动力性能影响更显著.     

反应堆堆内构件流体激振力的数值模型研究

针对反应堆堆内构件流致振动分析评价中如何合理获取流体激振力的关键技术难题,开展了典型反应堆堆内构件三维流场分析的数值模型研究。研究基于计算流体动力学方法,首先,根据反应堆堆内构件的结构特点和运行工况参数,将实际结构的关键部件、物理边界提取并做适当简化,在合理降低计算规模的同时,又充分保留其流场特征;其次,综合考虑计算资源和计算效率,采用结构网格和非结构网格相结合的混合网格划分方式以及分区化的网格尺寸策略,将流场十分复杂但并不关注其细节的堆芯段采用多孔介质模拟,使划分的网格能够捕捉流场特征,进而建立了适用于工程的三维流场分析模型,并对预测结果较好的3种湍流模型进行了对比研究。获得了反应堆堆内构件的三维流线和压力分布特征、典型测点压力脉动的时程与功率谱密度（PSD）特性、3种湍流模型对反应堆堆内构件流体激振力的预测情况、作用于吊篮表面的流体激振力特性。结果表明,大涡模拟（LES）模型可以较好地预测反应堆堆内构件的流体激振力,同时又具有一定的保守性,作用在反应堆堆内构件的流体激振力符合宽带随机性,可为反应堆堆内构件流致振动分析评价提供关键参数和输入载荷。     

基于梁刚体元模型的圆柱风致响应耦合分析

基于梁刚体元方法提出了圆柱风致响应分析的近似模型,通过计算流体动力学(CFD)求解器FLUENT及其动网格方法求解流体方程,实现了结构与流体的流固弱耦合分析,并利用精细积分法提高了结构的动力分析效率.针对梁刚体元近似模型、刚性模型与弹性模型,比较了不同风速下三维圆柱结构的顶部位移与加速度响应.结果表明,随着风速的增大,结构横向振动幅值呈非线性增加;不考虑耦合作用的刚性模型计算结果误差较大.     

低压铸造充型过程的数值模拟技术

论述了低压铸造充型模拟的数学模型,由于低压铸造充填速度较慢、充型平稳,因此充型计算采用层流模型.采用SOLA-VOF算法对模型进行求解, 其中SOLA 法用于求解流体的速度场和压力场, VOF法用于处理自由表面.采用UG软件进行铸件三维造型,采用ProCAST软件进行网格划分,对叶轮的充型过程进行了模拟,并通过对叶轮的浇注试验,验证了低压铸造充型的数学模型及算法在保证模拟精度、提高计算效率上的有效性.     

动网格生成技术

基于动气动弹性仿真中二维动网格方法的研究,提出了一种三维动网格生成技术,该方法的主要特点是在计算域内利用原有的初始网格进行插值计算来构造新网格。对于流体-结构耦合中每时间步长计算的动网格算法主要考虑网格的稳定性和计算效率。最后,选取了二维、三维中一些有代表性的实例进行了演示,结果表明对于变形量不是很大的情形是令人满意的。     

轴流压气机失速特性的仿真研究

采用气动结构松耦合技术研究了飞翼布局无人机的方向舵嗡鸣响应及副翼、升降舵及襟翼的振动时域响应。首先建立较为详细的飞翼布局无人机的结构模型和气动模型,基于雷诺平均的N-S方程建立流体控制方程和结构动力学方程的耦合求解技术;气动计算中的网格变形技术采用非结构动网格,其中动网格更新技术采用弹簧近似光滑和局部网格重构组合方法;基于LU-SGS子迭代的时间推进技术和HLLEW的空间离散方法进行气动数据的计算,湍流模型采用SST湍流模型,采用三维插值技术进行气动与结构耦合界面结构变形位移与气动力载荷之间数据的传递;在方向舵转轴端部设置方向舵偏转运动的约束方程;基于提出的气动结构松耦合方法计算飞翼无人机方向舵偏转引起的方向舵嗡鸣和全机的方向舵、副翼、升降舵及襟翼振动的时域响应;并研究了旋转角频率参数变化对飞翼无人机全机振动响应特性的影响。研究表明旋转角频率对方向舵的偏转响应和副翼、升降舵及襟翼的振动响应频率影响较大。     

基于重叠网格的C11集装箱船自由衰减横摇模拟

为研究C11型集装箱船的大幅横摇阻尼,基于STAR-CCM+软件平台,使用重叠网格技术和流体体积函数(VOF)方法,通过求解纳维-斯托克斯方程,对该船零航速和有航速下自由衰减横摇运动进行数值模拟.数值模拟结果表明:湍流模型、运动方程约束自由度设置情况、初始横摇角释放时间等对横摇结果影响较大;使用k-epsilon湍流模型、放开6自由度、待流场稳定后释放船模所得的计算结果与试验值符合较好.     

深海重力活塞取样器冲击取样的 有限元数值模拟分析

以深海重力活塞取样器取样管为研究对象,建立取样器冲击取样三维有限元模型,运用LS-DYNA软件对取样管下落接触海底沉积物表面的冲击取样进行动力学仿真分析.通过数值仿真,分析海底沉积物的坡度、取样管壁厚、取样器自由下落高度、取样器配重以及海底沉积物类型对深海重力活塞取样器取样管冲击应力的影响,为深海重力活塞取样器取样管的稳定性分析、评估与设计提供理论依据与指导.     

一种新的流体自由表面张力模拟方法

在流体模拟中，为了真实、有效地捕捉流体自由表面的微观特征，表面张力的真实模拟十分重要。针对现有的处理表面张力的粒子间相互作用力(inter-particle interaction force, IIF)方法模拟流体表面张力存在的流体自由表面不光滑、计算效率低、模拟效果不稳定等问题，文章提出一种新的流体自由表面张力模拟方法。首先提出一种快速准确检测流体自由表面粒子方法；然后构造新的粒子间作用力模型和表面面积最小化修正项，对检测出的自由表面粒子进行表面张力模拟，减少不必要的计算量；最后对临近自由表面处的流体粒子进行密度修正，提高自由表面附近流体粒子密度的计算精度。仿真结果表明，与已有的方法相比，该文方法对表面张力的模拟效率更高、效果更好。     

透平叶片前缘双排交错孔气膜冷却数值模拟

为了解前缘冷气喷射对透平叶片的气膜冷却特性,对圆柱形前缘双排交错孔气膜冷却进行了全三维N-S方程数值模拟,第一排孔射流角度分别为15°、20°和25°,第二排孔均为20°。计算域网格采用FNM(full non-matched)形式的多块结构化网格。研究了射流与主流的流动机理,分析了不同吹风比下不同孔排结构对壁面冷却效率的影响。计算结果表明:第一排射流角度的变化对前缘绝热效率分布的影响非常明显,壁面气膜冷却效率随吹风比的增大而升高。     

基于地面激光点云数据的单木三维重建方法

目的 使用地面三维点云数据,提出一种单株树木三维网格模型重建方法,为精准获取测树因子提供技术支撑。 方法 对获取的点云进行预处理,使用k-d树构建近邻关系图,用Dijkstra算法求算出子图的根。检测出有效路径后,使用探测半径计算关键路径。计算树枝骨架,然后对初始骨架进行Bezier曲线半径平滑,得到平滑的骨架,再将骨架连接,使用半径平滑和圆柱拟合减少点云密度小造成的拟合不足的情况,能够最大限度保留树枝的细节。结果 使用3株落叶松点云数据构建了树枝树干表面网格模型,重建了树木三维结构。将树干、树枝的三维网格模型与点云匹配后,效果较好;所构建的模型能够进行细小枝条的重建,而不是模拟细枝,通过观察重建结果,一级枝的重建效果非常好,大的二级枝也能得到很好的展示;整套算法计算快速,计算时间与枝条的复杂程度、连接关系有关。结论 基于关键路径探测的方法能够很好地构建树木的三维网格模型,可以用于单株树木测树因子的精确提取。     

基于AMG法及多块非正交网格的三维方腔流场数值模拟

为了将AMG法与多块非正交结构网格结合起来,应用于求解基于多块格离散的三维N-S方程离散系统,针对经典算例三维顶盖驱动直方腔和45°倾斜方腔流动问题,构建了三维多块非正交结构网格系统,设计了三维N-S方程块结构网格离散系统系数矩阵CSR存贮格式;根据非正交同位网格SIMPLE耦合算法,建立了N-S方程的AMG数值求解方法,编制了用AMG法计算的三维数值仿真程序,并采用AMG法求解控制方程中所有流动参数;同已有的结果做了比较,给出了三维方腔流场内复杂的涡系图像,并对算法的有效性进行了验证.结果表明:AMG法及相关算法可用于复杂区域流动问题的数值模拟,为大规模的CFD数值模拟问题奠定了基础.     

人体脑血流问题的并行数值模拟

设计了一套高性能血流动力学数值模拟系统,包括几何模型构建、计算网格生成、流体方程离散和求解以及计算结果可视化和分析等模块.重点介绍流体方程的求解模块,并通过对北京天坛医院提供的1个真实脑中风病例(包括术前和术后)的血流动力学瞬态模拟案例来验证系统的可靠性和效率.模拟结果显示:计算获得的各项参数(包括压力、速度、剪切力等)的分布与临床观察结果基本一致.该系统的并行性能测试结果显示:当模型的网格单元数量为2.12×10~6,CPU核数扩展至128时,系统仍可达到72.43%的并行效率.     

基于单流道和结构网格的湿式潜水泵数值模拟

采用流场模拟软件ANSYS-CFX对BQ1100-425型湿式潜水泵进行数值模拟,在完成网格无关性验证的基础上,分别研究了全流道与单流道模型,结构网格与非结构网格模型的数值模拟结果,如压力、速度等内流场和扬程、效率等外特性。结果表明:全流道数值模拟相比于单流道能更准确地反映真实流场的流动情况,但计算时间较长,计算效率低。单流道数值模拟在一定范围内能较好地反映真实流场的运行情况,且计算时间较短。结构网格与非结构网格都能准确反映实际流场的运行变化情况,但结构网格计算准确性更高,计算时间短,效率高。鉴于湿式潜水泵结构的复杂性,基于单流道结构网格的数值模拟方法能有效地模拟内流场并进行扬程、效率等性能预测。     

网格密度对海底管道溢油扩散数模结果的影响

采用数学模型对海底管道溢油扩散进行模拟时,除了要求模拟结果的准确,同时也必须要从经济性角度考虑计算成本的问题.为筛选出合适的数值模型,对不同网格模型进行了对比性研究.基于结构网格,采用有限体积法建立溢油扩散模型,并采用流体体积法来追踪多相流界面.选用疏、密两种不同网格进行计算.根据Fan(1967)经典实验,选择3种不同工况,并采用其实验数据对计算结果进行验证对比.通过不同工况下疏、密网格模型中溢油的传播形态、到达海面时间、横向漂移距离、海面扩散范围及电脑计算时间的对比分析,研究了网格疏密对溢油结果的影响.研究表明:密网格模型电脑计算时间过长,各种物理量的提升效率一般,而疏网格模型计算成本则较为合适.该模型可为海管溢油扩散预测及应急维修提供参考.     

水砂混相流运动的CIP-DEM耦合数值模型

为建立精确模拟水砂混合流(如:挟砂溃坝溢流)问题的数值计算方法,提出了模拟固液混相流运动的垂向二维CIPDEM法耦合数值计算模型。模型采用CIP(constrained interpolation profile scheme)法求解描述水体运动的Navier-Stokes流体运动方程,采用DEM(discrete element method)法求解描述泥沙粒子团运动的牛顿力学方程;并通过水砂间的相互作用关系将水-砂运动进行耦合。通过分别对溃坝溢流和砂体下落的单相体运动进行数值模拟并与前人的实验结果进行对比,验证了CIP法流体计算模型和DEM法砂体计算模型妥当。在此基础上,采用所建立的CIP-DEM水砂耦合数值计算模型对干床面上的挟砂溃坝溢流问题进行了数值模拟,计算得出的挟砂溃坝溢流中的水、砂运动形态和运动过程与Zhang(2009)等的实验结果吻合良好,表明提出的CIP-DEM耦合模型在对具有大自由表面变形的水砂运动问题的模拟中具有较好的适用性。     

裂缝性油藏非结构四边形网格数值模拟研究

在裂缝性油藏数值模拟中,引入非结构四边形网格系统是目前高精度数值模拟研究的热点,它能对复杂油藏边界、交叉裂缝、多条裂缝、多方向分布裂缝、复杂分支结构井等条件下任意连通区域进行网格剖分,相对其他非结构网格,它需要的网格数量少,且精度更高。建立连续介质模型和离散裂缝模型相结合的混合渗流模型并数值离散求解发现,非结构四边形网格的引入导致数值模拟计算效率严重下降。针对此问题,提出了3种解决方案：改进Paving算法的裂缝末端形态变形法、二维和三维网格编号重新排序方法和MPI并行计算方法,计算效率平均提高70%。     

威远江水电站溢洪道挑流鼻坎数值模拟优化研究

针对威远江水电站岸边式溢洪道挑流消能存在的问题,采用RNGk~ε双方程模型模拟湍流,利用流体体积分数法(VOF)确定自由水面线,采用非结构网格与自适应局部网格加密的方法,成功地对溢洪道挑流鼻坎挑流进行了三维紊流数值模拟,并利用数值模拟方法对挑流鼻坎的修改方案进行了研究,并经过计算提出了较优方案,并经试验验证得到较好的效果,为威远江水电站设计与优化提供了可靠的设计依据.