基于ADINA的重力坝流固耦合动力特性分析

主要探讨了固体与水体相互作用下的动力特性。首先进行纯固体结构的自重以及频域计算,其次结合Westergarrd理论方法,采用ADINA-FSI方法完成重力坝的全流构耦合计算研究。探究了水体的存在下的坝体应力以及水体对结构的自振频率影响。计算结构表明:流构耦合模型计算结果,结构大部分位移较小,更能反映水体-固体相互作用的要求,从而得出一些有价值的成果供工程设计参考。     

细长轴对称体的水弹性振动特性分析

以在水中做纵向平面内运动的细长轴对称体为研究对象.在建立描述流体-结构耦合振动系统的计算模型时,对固体采用位移（包括刚体运动位移和弹性Euler梁振动位移）,对流体采用压力作为基本变量,首先建立了考虑流体作用力的结构动力学方程,推导了考虑结构运动的流体压力表达式,分析了水动力载荷的特征：包括水动压力的来源、组成、分布形式与影响范围等.在此基础上给出了描述水中运动物体的位移（结构）-压力（流体）格式的流固耦合系统模型.然后利用有限元数值方法（FEM）对方程进行了求解,克服了解析解对研究对象外形的限制,同时避免了流固耦合直接数值模拟中CFD＋FEM的复杂性,对于典型的工程结构非常适用.最后,通过算例给出了水中运动物体的水弹性频率和模态,并将计算结果与试验结果进行了对比,证明了本文计算模型的有效性.     

矩形水箱保温过程数值模拟与试验研究

文章对矩形太阳能蓄热水箱在保温过程中的温度场进行了数值计算,并对水箱内部流体出现的温度分层现象进行了试验研究。数值计算和试验结果表明:矩形水箱在蓄热结束后,其内部流体已经形成一定的温度梯度;在38h试验时间内,水箱中下部温度分层良好,即水箱内部流体各测点温度均没有出现较大的温度波动,基本呈线性下降趋势。壁面的对流换热以及顶部检修口的漏热,是水箱内部流体温度分层现象产生的主要原因。依据试验数据并结合工程实际,该文提出了太阳能蓄热循环温差设置的改进方式。     

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.     

单裂隙岩体水-力耦合数值分析

随着地下工程的不断发展,诸多地下工程在水-力耦合作用下发生失稳破坏,裂隙岩体水-力耦合一直是国内外学者研究的热点问题。基于单裂隙岩体水-力耦合概念模型,应用离散元程序计算分析裂隙水压强、岩体应力对裂隙渗流场和岩体位移场的影响。计算发现：模型约10 s后达到稳态,节理流体形成从左向右的渗流场,节理入口处流体压强与节理流体压力梯度成正相关;节理岩体位移主要形成从节理入口处向其周边辐射的位移场,节理入口处流体压强与节理岩体位移梯度成正相关;节理岩体水压主要形成从节理中部区域处向其周边辐射的水压场,岩体顶部施加向下应力与节理水压梯度成正相关。研究结果对解决地下工程水-力耦合问题具有一定的科学意义和工程价值。     

基于双向流固耦合模型的溃坝水流数值模拟

弹性结构在运动流体的作用下会产生动力响应，对结构本身的安全性和耐久性都提出了更高的要求。使用开源计算流体力学软件OpenFOAM和开源计算固体力学软件CalculiX建立双向流固耦合模型，对溃坝水流冲击刚性结构和弹性结构的过程进行了数值模拟。首先对比了代数流体体积法和几何流体体积法在分析溃坝水流冲击刚性结构时的精度，结果表明几何流体体积法能够更为准确地模拟剧烈变化的自由液面。进一步采用几何流体体积法对溃坝水流冲击弹性结构的双向耦合问题进行了分析，弹性结构的动力响应和自由液面的分析结果与前人的数值结果吻合良好，表明目前的数值模型可以应用到实际工程的流固耦合分析中。     

考虑流固耦合的轴流式叶片强度分析

以轴流式水轮机全流道三维湍流数值计算结果为基础,分析水轮机的压力脉动;采用弹性力学非稳态有限元法分析轴流式叶片的强度;利用弱耦合技术,对固体域和流体域进行顺序迭代,并进行了水轮机的流固耦合分析.结果表明,在水压力作用下,叶片变形的最大位移发生在叶片出水边靠近叶片外缘处,最大应力出现在叶片上端面和法兰相接处,叶片变形对压力脉动的幅值影响明显.     

基于流固耦合的管道机器人清淤装置

为验证管道机器人的清淤能力,对其清淤装置进行旋转条件下的流固耦合研究。对管道机器人的清淤装置进行简化处理,利用ANSYS Workbench软件,通过添加流体域,获得基于流固耦合的模型;通过mesh模块进行网格划分,得到基于有限元分析的高精度模型,在逆流条件下分别设置固体的转速1.6、0.3 r/s,顺流条件下设置固体的转速1.6 r/s,设置流体的流速和前进速度均为2.5 m/s,进行流固单向耦合计算;得到流体基于速度和压力的运动状态示意图,进行对比分析。结果表明:在逆流高转速条件时,清淤装置清淤效果显著,具有刮削-搅拌-过滤-推进-自流冲刷五位一体清淤作业能力,并为管道机器人的控制提供理论依据。     

油藏热流固耦合模型及应用

针对变温变形油藏的耦合渗流规律这一亟待研究的课题,综合分析油藏中流体力场、固体力场、温度场之间的耦合关系和三场耦合的力学机理与结合点,认为油藏中热效应与流体孔隙压力导致岩石变形;岩石变形与流体渗流导致温度场变化;岩石变形与热效应导致储渗特性和孔隙流体压力的改变从而影响流体渗流,以上三种效应是同时发生的.建立了一个反映变温变形油藏实际的热-流-固耦合模型,利用此模型进行了几项对热采油藏地层损害和石油生产有着重要影响的参数、指标的计算与分析.     

原子尺度下摩擦的失稳和耗散动力学

采用 Frenkel-Kontorova 模型和基于双质量双弹簧模型的等效耦合振子模型求解了探针与基底间几种不同耦合类型的能量耗散动力学问题. 发现了纳米尺度下能量耗散失稳现象, 并通过平均耗散功率和粒子相对于质心的位移分析了正弦势和多阱周期性基底势两种情况下的能量耗散特性. 计算结果与最近采用摩擦力显微镜观察的实验结果进行了比较.     

轨道交通隧道基底刚度对共建结构的振动影响分析

为了探明建筑物与轨道交通隧道共建时隧道基底刚度对系统振动的影响,建立列车-轨道-隧道-土层-建筑物系统耦合振动模型,列车-轨道动力学模型和隧道-土层-建筑物有限元模型通过扣件力进行参数传递,对隧道基底土层加固为不同刚度时隧道结构以及建筑物结构振动位移、速度、加速度响应进行了时程分析、频谱分析和振级分析等.结果表明:隧道基底刚度越大,其下沉位移越小,隧道结构振动速度突变越大且振动速度的周期性越不明显,但振动位移的振幅变化与隧道基底刚度没有严格的相关性;隧道基底刚度对隧道振动加速度影响的主要频率为1~5Hz的低频部分;隧道基底刚度对于建筑物结构振动有较大影响,主要集中于低频范围,影响幅度可达10dB.     

考虑时间影响的桩锚支护深基坑流固耦合分析

以深圳地区某桩锚支护深基坑为依托,基于有限元软件PLAXIS的土体硬化(hardening soil,HS)模型对深基坑降水开挖过程进行数值计算,得出降水开挖过程中变形随时间变化的规律,并在考虑时间变化的前提下,分析了考虑流固耦合与不考虑流固耦合深基坑变形和支护结构内力计算结果.研究结果表明:①桩体水平位移和坑外地表沉降在开挖后设置的固结期产生了回弹现象,而固结期后的坑底隆起量相对于开挖后有所增长;②考虑流固耦合与未考虑流固耦合时相比,最终桩体水平位移和坑外地表沉降都明显增大,坑底隆起明显减小,降水对桩体竖向位移和对坑底土体变形有类似的影响规律,并且桩体对坑底隆起具有限制作用;③坑底以上的桩身弯矩,考虑流固耦合时更大,而坑底以下部分恰好相反;另外,考虑流固耦合时的最终轴力小于不考虑流固耦合时的最终轴力.     

边坡失稳系统的固流耦合模型

在考虑边坡岩体物理力学性质不均一性及地下水渗透力分布不均匀性的条件下,将边坡失稳作为一个系统来定性地分析其在失稳过程中的机理,建立了边坡失稳系统固流耦合的数学模型,并结合算例分别对应力和位移进行了耦合分析,从而验证该数学模型的可靠性。     

Numerical Simulation of the Slit-Trap Dam Based on Fluid-Structure Interaction

Debris flow can cause serious damage,and it is a part of the study of fluid-structure interaction(FSI).FSI analysis was established on the interaction between unsteady flow and the slit-trap dam's vibration,with a coupling bench which can transfer fluid pressure and structure displacement.Debris flow can be seen as the Bingham body of incompressible.Based on ANSYS and CFX softwares,unidirectional and bidirectional coupling methods were used to study the transient interaction between debris flow and dam.The comparison between lateral fluid pressure states under different velocities and the equivalent stresses of the dam under different coupling conditions was made.The result shows that fluid-structure coupling becomes stronger with the increase of flow velocity.The maximum equivalent stress appears at the dam foundation,while the minimum equivalent stress appears at the dam abutment.With the increase of height,the fluid pressure decreases.The fluid pressure based on unidirectional FSI analysis is larger than that based on bidirectional FSI analysis and the maximum appears on the joint of the dam foundation and channel.The maximum equivalent stress of the dam based on the former is less than that based on the latter.     

Fluid-Structure Interaction During Large Amplitude Sloshing and TLD Vibration Control

The arbitrary Lagrange-Eulerian (ALE) finite element method (FEM) was successfully used to analyze fluid-structure interaction with a free surface. The fluid was regarded as a convection dominated incompressible viscous with the viscous and the slip boundary conditions. Generalized variational principles were established for the problem with large amplitude sloshing due to the free fluid surface. The Newmark-β integration method with a predictor-corrector scheme was used to solve the nonlinear dynamic response of the coupled ALE-FEM equations. Numerical examples were given to analyze the effects of a tuned liquid damper (TLD) setting on the structure. The horizontal nonlinear displacement responses in time domain at the top of the structure and the fluid elevation histories along the wall were computed and compared with predictions of a simplified mass-spring system.     

页岩气藏流固耦合数学模型

页岩层是超低渗透率的储气层,页岩气藏开采过程中流固耦合效应表现明显.基于渗流力学和Biot固结理论,综合考虑页岩气藏储层的启动压力梯度,页岩气渗流过程中的解吸附,建立了一个适用于滑脱流、孔内扩散等页岩基质孔隙内所有气体流态形式的流固耦合数学模型.页岩气开采流固耦合数学模型包含了气体渗流和页岩变形相互作用的耦合项,必须进行耦合求解.使用显式迭代编制相应程序求解其数值解,计算结果表明,考虑流固耦合和不考虑流固耦合对页岩气开采过程中压力分布影响较大,考虑流固耦合情况下,压力降低趋势比不考虑耦合情况下要快,更符合实际开采情况.流固耦合现象对页岩气渗流过程影响较大,页岩气开采过程中必须考虑流固耦合影响.     

地下工程中的流—固耦合问题的探讨

叙述了涉及煤岩体－流体相互作用的地下流－固耦合理论的进展概况和流－固耦合作用的基本概念以及存在的工程背景。主要讨论了地下工程中液＋固、气－固、气－液－固、热－固、流等耦合作用的机理、建模方法、如系模型、数值分析思路及方法及未来工程应用中主要存在的问题。研究结果表明,进一步发展地下流－固耦合理论对解决地下工程的一系列问题有着重要意义,多因素耦合分析是今后研究流－固耦合问题的关键。     

轴流式叶片的流固耦合振动特性分析

采用流固耦合技术，求解流体与固体的耦合方程，对轴流式叶片进行了振动特性分析，分别计算了叶片在空气中和水中的固有频率；并比较了轴流式叶片在空气中与水中固有频率的变化，分析了叶片在水中的振型。结果表明，叶片在水中的各阶固有频率较其在空气中均有所降低，且其降低程度具有非线性的特点。通过对轴流式叶片在水中八阶模态图的分析，表明了轴流式叶片外部靠近出水边的地方较为敏感。