rGFM方法在流-固界面问题数值模拟中的应用

rGFM(real Ghost Fluid Method)方法已经成功应用于气-水界面的数值模拟,体现了界面计算准确,守恒误差小等优点。结合Hydro-elasto-plastic固体模型,将rGFM方法推广于对流-固界面的数值计算。通过在界面处构造并求解Riemann问题,得到界面处流体的准确的流动状态。以此状态来定义界面边界条件,从而多介质流动问题转化为单介质流动问题来求解。数值结果表明,该方法可以用于流-固界面的数值计算,界面和其它间断计算准确。     

激波诱导气泡破碎过程的数值模拟

为了对可压缩多介质流动中介质界面的剧烈变化过程进行模拟,采用发展的含拓扑结构改变的大变形非结构运动网格生成方法处理介质界面运动导致的网格畸变及拓扑变化.采用Riemann解构造出Lagrange界面来显式地追踪多介质界面运动.采用改进型虚拟流体方法构造介质界面的边界条件,在介质界面两侧分别求解守恒型的任意朗格朗日欧拉方法方程.对空气激波诱导圆柱氦气泡破碎过程、水中冲击波诱导二维气泡破碎过程进行了模拟,结果表明:该文基于非结构运动网格的多介质界面追踪方法可以有效地处理界面运动引起的拓扑结构改变.     

二维多介质流动问题的守恒型界面处理方法研究

本文开展了二维多介质流动问题的界面处理方法研究。利用level-set函数确定界面的位置,界面将跨界面网格分割为两个新的网格,利用Heaviside函数确定新网格单元面积,对于出现的小网格单元,可以将小网格单元与之紧靠的网格单元（与小网格单元属于同一介质）合并,以提高计算精度和计算效率。数值试验表明该方法能准确地捕捉界面和间断的位置。     

采用无网格方法计算含大变形介质界面的可压缩多介质流动

采用动态无网格节点追踪自由边界的变形,建立了一套求解可压缩多介质流场的最小二乘无网格方法.将界面定义为具有双重含义的动态无网格节点集合.使用虚拟流体方法处理介质边界节点,构造界面两侧的虚拟节点,根据介质的种类将流场划分为若干个单介质区域.为抑制界面处流动参数的非物理震荡,采用局部界面Riemann问题解更新界面节点和虚拟节点的流动参数值.使用局部点云重构技术处理界面附近的动态点云.引入AUFS格式求解ALE形式Euler方程的对流通量.一维激波管和二维复杂大变形的多介质问题计算结果证明文中提出的动态无网格法是可行的,能够准确地追踪界面的复杂变形,并对界面附近的变形点云进行合理的重构.      

亚网格内两相流动界面位置的精确定位算法

针对流体体积(VOF)法处理两相流动界面张力的虚拟流体方法无法准确确定亚网格内界面位置点的问题,提出了一种高精度的界面位置定位算法。该方法根据界面两侧单元界面曲度在亚网格内构建变曲度弧线,实现了两相界面的高精度近似,完成了网格单元中心连线和界面交点位置以及该位置的曲度的准确求取,成功地考虑了界面曲度对亚网格内界面位置的影响,同时方法本身不受网格类型及空间维度的限制。针对毛细管上升、静态液滴、二维气泡上升以及三维气泡上升等物理过程进行了模拟,结果表明:界面曲度对亚网格界面位置可产生显著影响;亚网格内界面位置的准确捕捉以及该位置点界面曲度的准确求取可以显著改善VOF方法的预测精度,模拟结果显示最好可提高3.5倍。该方法可为复杂结构内高表面张力驱动流提供新的预测手段。     

水平集与灵敏度分析相结合的流体形状识别与优化方法

针对流体拓扑优化很难得到较为精确结果的问题,将水平集方法与灵敏度分析方法相结合,发展了一种可用于流动形状识别的改进水平集优化方法。为实现水平集法向速度由界面到整个水平集函数求解区域的准确扩展,首先借助快速行进法,将法向速度由流体区向固体区扩展,然后经求解偏微分方程向整个设计区域扩展。通过求解二元二次方程组提取界面,采用无需样条参数化网格重构方法实现了流体区域内网格的重新划分,从而有效提高了物理场控制方程的求解精度。对Navier-Stokes和Stokes流动形状识别问题的研究表明:所发展的方法可以直接、较准确地求出边界上的法向速度,且将界面附近的法向速度准确地沿界面的法线方向扩展到整个水平集函数求解区域;最终,通过有效处理拓扑和形状优化过程中的拓扑变化识别出目标形状。     

澳门周围水域潮汐流动的数值模拟

采用有限体积法求解二维浅水流动方程,建立了一种在非规则结构化网格上数值求解平面二维浅水流动的数值方法,其中应用Roe格式计算数值对流通量,并通过MUSCL途径插值界面状态,以对水位插值代替水深插值来消除地形变化对格式的影响;对源项采用分步法及半隐式求解,防止了源项引起的计算不稳定;处理动边界采用人工小水深的方法.应用于澳门水域潮流的模拟,计算结果与实测吻合较好.     

TVD有限体积法在喷流计算中的应用

该文根据ＷａｎｇＪ．Ｃ．Ｔ．的二阶ＴＶＤ有限体积法求解守恒型Ｅｕｌｅｒ方程，对原文中的数值格式进行了部分修改。计算网格单元是非均匀的任意四边形。文中计算了楔形风洞中的斜激波反射问题和无粘喷流近场流动结构问题。数值计算结果表明，该文方法具有激波分辨率高、计算稳定、伪振荡小等优点。同时该文方法可以处理任意复杂边界的二维及轴对称流动问题的计算，也可以将该文的有限体积法思想推广到三维具有复杂边界的流动的计     

变工况下对旋风机的数值模拟实验

以对旋风机为模型，使用Fluent软件对模型风机内部流场进行数值模拟．控制方程基于求解三维雷诺平均守恒型定常Navier-Stokes（N-S）方程，选用Realizable k-ε湍流模型，近壁区域采用标准壁面函数，给出了求解的网格、边界条件，特别分析了两级叶轮间界面上数据传递的处理方法，利用该数值模拟方法分析在不同转速比的变工况下内流特征，为两级叶轮的匹配提供了数值实验依据．设计工况下性能CFD预测结果和实验气动性能结果相符合，表明所用的数值模拟方法进行性能预测有较高的精度和可靠性，同时为内部流动优化提供依据，是同类风机性能优化的一种有效方法．     

一维Stefan问题的浸入界面方法

考虑经典的一维Stefan问题的浸入界面数值求解方法.基于与移动的界面位置无关的网格,构造出时间方向具有一阶精度,空间方向具有二阶精度的有限差分方法.最后,一些数值例子验证了该方法的收敛精度.     

一种新的混合有限体积元法求解一维多孔介质问题

针对一维多孔介质问题用标准混合有限体积元法求解时会出现数值解波阵面不能向前传播的现象, 提出一种新的混合有限体积元法求解退化问题, 其中流变量仅包含原始变量对空间变量的导数. 结果表明, 该方法可避免数值解波阵面不能向前传播的现象, 并能很好地捕捉数值解界面. 数值实验验证了该方法的有效性.     

Large range step method for acoustic waveguide with two layer media

A numerical method is developed for solving the two-dimensional Helmholtz equation in a two-layer region bounded by a flat top, a flat bottom and a curved interface. A better local orthogonal transformation is used to flatten the curved interface of the waveguide. The one-way re-formulation based on the Dirichlet-to-Neumann (DtN) map is then used to reduce the boundary value problem to an initial value problem. Numerical implemetation of the resulting operator Riccati equation uses a large range step method for discretizing the range variable and a truncated local eigenfunction expansion for approximating the operators. This method is particularly useful for solving long range wave propagation problems in slowly varying waveguides.     

一种新的混合有限体积元法求解一维多孔介质问题

针对一维多孔介质问题用标准混合有限体积元法求解时会出现数值解波阵面不能向前传播的现象, 提出一种新的混合有限体积元法求解退化问题, 其中流变量仅包含原始变量对空间变量的导数. 结果表明, 该方法可避免数值解波阵面不能向前传播的现象, 并能很好地捕捉数值解界面. 数值实验验证了该方法的有效性.     

细晶压电涂层/基底界面裂纹热流强度因子分析

研究了在热载荷作用下的细晶粒压电涂层/基底界面裂纹的力学行为,利用积分变换方法把热力学问题转变成了求解奇异积分方程,得出了问题的温度场及热流强度因子.最后,通过数值算例给出了热流强度因子同裂纹尺寸和涂层厚度之间的关系.结果表明:在热载荷的作用下涂层厚度较小时容易造成裂纹的扩展,可以通过增加涂层厚度来增强结构的安全性.     

自由界面问题的拉格朗日粒子和流体体积耦合算法

针对自由界面问题,构建了拉格朗日粒子和流体体积(volume of fluid, VOF)耦合算法.拉格朗日粒子方法可以准确追踪运动界面,但是一般很难保证流体的质量守恒性.VOF方法可以保证很好的质量守恒性,但是不容易计算界面的几何信息.因此,本文构造了一种耦合算法,吸收两种方法的优点.耦合算法中还引入了四叉树自适应网格技术,可以在大变形区域提高界面的分辨率,并能减少计算量.利用耦合算法模拟经典的Zalesak旋转盘问题和单涡剪切流动,数值结果和文献已有结果吻合较好,验证了耦合算法的稳定性、有效性和准确性.     

基于Gear算法的一个符号化仿真系统设计原理

控制系统仿真是研究控制系统不可缺少的技术手段，其核心问题是求微分方程组与代数方程组的联立数值解，即求数值积分。微分方程组的数值解法很多，其中Gear算法最适合控制系统仿真，它稳定性好，是一种变阶变步长的预报校正型的多步方法。基于Gear算法设计了面向框图、微分方程、状态方程对象的仿真程序，其输入设计为符号化的参数输入方式，并给出了应用实例。     

一种平面问题的加权Nitsche间断伽辽金有限元法

以经典间断伽辽金有限元法求解弹性力学界面问题,存在着由于稳定系数取值不当引起的数值不稳定问题,而加权Nitsche间断伽辽金有限元法可以缓解这种问题,但仅应用于常量单元离散的情况。为解决上述问题,基于加权Nitsche间断伽辽金有限元法,针对平面弹性力学问题,推导了四节点四边形单元离散情况下的加权系数和稳定参数的计算公式,建立了权重与稳定参数间的定性依赖关系。通过建立和求解广义特征值问题,实现了加权系数和稳定参数的自动计算,使得高阶单元的使用成为可能。通过数值试验检验了方法的收敛性和稳定性。结果表明:在求解均匀或材料分区不均匀介质问题时,加权Nitsche间断伽辽金有限元法均表现出良好的稳定性,且计算结果具有较高的精度。所提出的方法在一定程度上无须人工干预,具有高效率、高精度和良好的稳定性,可以应用于复杂界面问题。     

基于松耦合法的求解气动弹性问题的数值模拟方法

通过修改流体-结构界面处流体域的边界条件并引入松耦合方法，改进了一种求解气动弹性问题的数值计算方法．该数值计算方法的网格生成、流场求解、结构求解和数据交换四个过程相互独立，因而有可能利用现有的发展比较成熟的商用网格生成器、CFD（computational fluid dyllamics）求解器和CSD（computational structural dymrmcs）求解器分别完成这些功能．通过对折减阻尼比为0．0208的圆柱涡激振动问题在雷诺数为100条件下的计算结果进行分析，表明该方法是可行的．     

一个求解非线性最小二乘问题的新方法

在Gauss-Newton(G-N)方法和Levenbery-Marquardt(L-M)方法(阻尼最小二乘法)的基础上给出了一种新的求解非线性最小二乘问题的方法，它是通过寻求新的非线性方程组的数值方法来实现的，首先给出了不用计算导数的求解非线性方程组的收敛迭代方法，该方法是建立在求解动力系统的稳定点的基础上，采用了较稳定的常微分方程初值问题的数值方法进行迭代求解，并采用Steffensen加速技术以提高收敛速度，最后，给出了用Matlab试算的数值例子、试验结果表明了该方法的有效性。     

非线性不确定中立系统的鲁棒稳定性

通过选择适当的Lyapunov函数,使用牛顿莱布尼茨公式,结合自由权矩阵思想,并利用线性矩阵不等式(LMI)方法,获得了时滞依赖和时滞导数依赖稳定性条件比现存的一些文献保守性小些.最后,通过数值算例来验证此方法的可行性.