变速不均匀介质中波动方程的有限元法数值解

为求解变速不均匀介质中波的传播问题,使用了利用瑞雷-里兹法的有限元技术。假定在地面上位移具有给定值,而在其它边界上亦满足狄里赫利边界条件。在这样条件下导出了求解波动方程的变分原理。讨论了一维和二维波动方程有限元数值解法数学原理。对变速介质模型得到了单元质量矩阵和刚度矩阵表达式。分析了数值计算结果,讨论了在变速介质中传播的地震波和过渡层反射波的动力学特征。认为介质中垂直速度梯度的存在是地震波振幅衰减的原因之一。介绍了二维介质模型数值解。计算结果支持所提出的方法。     

旋笛式气动声源的声传播模拟及其计算结果分析

为探究旋笛式气动声源在气态介质中的传播规律,采用COMSOL Multiphysics软件研究半自由场中6.3 ～ 200 Hz频段内1/3倍频程下各频率声波的声场特征,并采用声级计与无人机对旋笛式气动声源的远场分布进行实地联合测量.结果 表明:声压级沿声源中轴线以指数形式衰减.当声波波长小于或接近于声源设备尺寸时,会...     

声波在非均匀介质波导中的传播

声波在非均匀介质波导中传播时传播特性将发生改变.渐变的温度分布或介质密度分布都将导致介质的非均匀,影响声波的传播速度和传播常数.求解理想条件下声波在非均匀介质中传播的赫姆霍兹方程,最终得到声压在波导中的分布.由于密度分布的复杂度直接影响赫姆霍兹方程的求解,仅研究波导内介质密度在声波传播方向上连续变化的情况.方程的解析解...     

确定土层自由场地震动的二维简化模型

为了研究均匀土层自由场地震动的二维简化模型,首先利用弹性波动理论,得到土介质的二维波动方程,采用分离变量法来求解该方程,根据土层上下界面的边界条件确定土层竖向振动的特征频率和振型;根据波沿水平方向向无穷远处传播的衰减特性确定波沿水平方向衰减系数,得到土层自由场自由振动的相对位移的解析解。然后,采用振型叠加法求解强迫振动情况下的波动方程,得出二维情况下均匀土层在地震作用下沿水平方向相对位移的解析解。通过上述计算,得到了土层自由场地震动的二维简化模型。通过具体算例,分别对研究的二维简化模型与一维剪切梁模型进行了比较。比较结果表明,地下土层水平维度对于均匀土层自由场地震动反应的影响很小。     

基于OpenFOAM的周期性管内流动边界处理方法研究

为探究开源计算流体力学软件OpenFOAM中不同周期性边界条件处理方法的适用性,针对圆管内泊肃叶流动,分别在mapped,cyclicAMI,cyclic fan边界条件下开展数值模拟,对模拟得到的速度分布和压力分布进行分析.结果表明:3种边界条件设置下,数值模拟得到的速度分布均与解析解吻合,其中mapped和cyclicAMI边界条件下的数值解非常接近,且与解析解吻合更好;采用mapped边界能够得到与解析解符合的压力场,采用cyclic fan边界时在模拟区域进、出口存在很大的压力梯度,采用cyclicAMI边界得到的压力则恒为0.基于此,探讨了mapped边界条件下,数值模拟结果对计算网格的敏感性.研究发现:随着径向网格数目的增加,速度的计算精度先迅速提高而后趋于稳定;边界层层数的增加能够有效提高近壁区速度的计算精度;数值模拟时径向网格数目采用16个以上为宜,边界层层数不宜少于3层.     

脉冲防暴水炮发射管内的建模与二维仿真

为优化设计,奠定外流场研究的基础,建立了求解脉冲防暴水炮发射管内压力,水柱速度及摩擦力的计算模型.使用商业Fluent软件对发射管内高压气体冲击水柱进行二维数值模拟,采用k-ε模型描述湍流分布,二维VOF模型追踪发射管内的气液界面.模拟得到了气液界面的演化图像,出口速度矢量分布,以及不同时刻管内对称轴上的压力分布.将所建立模型的理论计算值与模拟值进行比较,分析了两者的吻合情况.仿真结果证明:水柱的管内运动压力起主要作用,重力作用并不明显,压力梯度较大的区域出现在水柱段,模拟值与理论计算值基本吻合,可利用模拟值对计算模型进行修正.所得结论对于水炮类非致命武器的设计及水炮外流场的研究有一定的指导意义.     

一种轨道交通高架线路噪声衰减规律的预测方法

提出了一种基于二维振动声辐射模型预测轨道交通高架线路钢轨和桥梁辐射噪声衰减规律的简化方法.首先,通过精细化的2.5维声学计算方法探究了传统线声源简化模型在预测桥梁噪声和钢轨噪声时的适用性.然后,结合板的理论模型和三维车辆-轨道-桥梁耦合振动模型探讨了采用二维模型来模拟桥梁和钢轨振动的可行性.最后,基于二维振动声辐射模型分别预测了钢轨和桥梁的远场噪声衰减值,并与2.5维声学模型的计算结果进行了对比验证.研究表明,在振动频率100 Hz以上,钢轨和桥梁的振动沿线路方向分布较为均匀时,基于二维模型预测高架线路噪声衰减规律的简化方法具有一定的精度,该方法可用于预测远场A声级噪声.     

粗糙微管道壁面振荡的磁流体流动

采用摄动法得到了粗糙微管道壁面振荡的磁流体流动的速度的近似解析解.波状管壁是由小振幅的反相周期余弦波给出的.通过数值计算,分析了振荡雷诺数Re和Hartmann数Ha对速度剖面的影响.结果表明:随着振荡雷诺数Re和Hartmann数Ha的增加,x和y方向速度的振幅减小.同时由于壁面的振荡,对固定的振荡雷诺数Re,随着y的增加,即由微管道的中心到管道的壁面,x和y方向速度的振幅逐渐增加.     

声波在弹性介质中的传播问题研究

固体介质除了可以产生体积形变外还会产生切形变，变形时会激起压缩波和切变波，这两种波在介质中传播时的速度不同，这决定于介质的弹性模型和密度，皮在介质表面层传播时会形成瑞利波，其波速小于横波速，弹性介质对声波的吸收机制，主要表面为几何振幅衰减现象和物理振幅衰减现象，而高弹性表变介质则具有明显的弹性滞后现象，其应力－应变关系在Ｔ－ε图上表现为一椭圆，本文详细讨论离上述现象并作了理论分析。     

钻柱中声传播的影响因素

采用有限差分方法研究钻井液黏滞阻尼、地层阻尼系数及弹性系数、钻杆数量及钻铤的存在对钻柱中通带声波传播特性的影响,分析声波时域及频域分布。结果表明:钻井液黏滞阻尼影响声波在钻柱中传输的时域分布,但对声信号幅值及频域分布影响较小;地层阻尼系数影响大振幅声信号幅值及小振幅声信号分布,地层阻尼系数越大,大振幅声信号振幅略有减小,地层阻尼系数越小,小振幅声信号振动增多,振动杂乱;地层弹性系数影响声信号振动幅值,地层弹性系数越大,声信号幅值越大;钻杆数量影响声波的时域分布,钻杆数量越多,接收到的声信号幅值越小;在不考虑衰减的情况下,钻铤不影响声波的传播特性;钻柱结构对载波频率的选择起主要作用,其他因素及钻柱结构对中继装置的分布有影响。     

矿井掘进工作面粉尘对机器噪声衰减的影响

掘进工作面悬浮粉尘颗粒改变巷道空气的粘滞特性,同时产生声波散射而影响机器噪声的传播与衰减,简要介绍了粉尘空气介质的声波衰减机理,基于掘进工作面及近巷道粉尘分布特性,分析了悬浮粉尘空气介质的粘滞特性对声衰减的贡献,研究了悬浮粉尘颗粒的声波散射作用及粉尘颗粒粒径、浓度等对声散射衰减的影响,研究表明:巷道中扩散声衰减与介质粘滞声吸收衰减两者在衰减量级上相当,而声散射衰减相对很小甚至可以忽略不计;粉尘浓度是影响粘滞声吸收的主要因素,而粉尘颗粒粒径、粉尘浓度等对声散射衰减有一定影响.     

应用激光流体应变率仪测量壁面阻力

激光流体应变率仪是能将流体边界层的近壁区线性速度分布与菲涅尔双棱镜分光形成的干涉条纹的间距线性特性结合起来的测量仪器,能够直接测量固体表面边界层的速度梯度,而且不干扰流场,并由速度梯度可推出壁面剪切应力。用这种仪器在二维流动管道中进行了测量层流和湍流的初步试验。试验表明,对层流的测量结果与理论分析基本一致。因此,该仪器可作为流体边界层的壁面阻力测量及监视工具。     

超声热疗中媒质特性对声聚焦的影响

以凹球面自聚焦超声换能器为例,用瑞利积分进行数值模拟计算,研究声衰减、声速、温度等参数对声聚焦的影响,并对不同生物组织中声聚焦的特点进行了比较.研究表明,不同的媒质的特性参数聚焦表现出不同的特点.声衰减系数增大,则焦斑向声源靠近且焦斑缩短;声速越大,则焦距越小,但焦域最大声压值升高,焦斑的面积增大;温度变化不大时,对声聚焦的影响不明显.     

水听器法测量功率超声振动珩磨空化声场分布

为了直接、简便地研究功率超声振动珩磨作用下的空化效应,对其声场建立数学模型,采用水听器对功率超声振动空化声场参数进行了定点测量,对数学模型所得到的仿真结果进行验证。为了研究流体介质中超声空化声场的分布情况,采用水听器法对不同功率与不同种类液体介质中的辐射超声场进行了多点声压测量。通过对比试验数据分析发现,声波沿换能器截面方向成对称分布,沿换能器轴向方向随距离的增加而衰减;不同种类的液体介质也会影响声压的分布以及空化效应的强弱。该方法可以直观的评价超声振动珩磨作用下的空化声场的强度和分布情况,对后续研究超声珩磨的空化泡动力学行为以及对超声振动珩磨装置的优化设计具有一定的实际应用价值。     

孔洞储层地震波特征响应的物理模型实验研究

根据物理模型相似性原则制作了不同材料和不同孔洞密度的物理模型，在常温常压和温压条件下分别测试了孔洞模型的地震波特征响应，分析了孔洞储层特征的变化对地震波属性参数的影响。孔洞密度、围压、温度、模型材料和含流体的变化对地震波的速度、振幅、衰减、主频和主振幅等属性参数均有明显的影响。温压等条件的不同，孔洞密度引起的地震波特征响应程度不同。实验表明，孔洞密度的变化对地震波动力学特征参数(振幅、衰减等)的影响远远大于对运动学特征(速度等)的影响，这为利用地震波的振幅、衰减等属性参数进行储层中孔洞分布和发育程度的检测提供了可靠的实验基础。     

液体内含气泡时的传声特性研究

利用球贝塞尔函数及汉克儿函数,气液交界处的质点振动速度和应力的连续条件,研究了声波在气-液两相介质内的传播特性。基于波数与区域半径乘积小于1的条件下,求解了两相介质内声传播的参数,即等效弹性系数、等效密度、声速及衰减系数;并得到声速及衰减系数随气泡体积比的变化曲线。结果表明,气泡的存在使声速下降,衰减系数增大,气泡的半径大小对其有一定的影响;声波频率偏低时,气泡对声速影响较明显;频率较高时,声波的能量损失较大。所得的结论与文献中的结果的相似,其结果将为含气泡液体内声传播的应用提供重要的理论依据。     

各向异性低渗储层渗流特征分析

各向异性、启动压力梯度和应力敏感现象是低渗油藏最显著的特征。建立了同时考虑以上三因素的低速非达西渗流数学模型,考虑方程强烈的非线性,用近似的解法求出稳定渗流以及不稳定渗流方程的解;根据物质平衡原理,得到了定产量、变产量和定流压生产时动边界的运动规律、地层压力分布特征以及产量变化规律。结果表明,各向异性地层激动区边界以椭圆形式向外拓展,改变了井网合理井排距;启动压力梯度和应力敏感使油井产能降低,边界移动速度变慢,单井控制面积减小,增大了油藏的开采难度。     

基于弱可压缩方法的水中声流数值分析

为研究水中的非线性声波传播问题,本文主要开展了基于弱可压缩方程的理论分析及水中声波动及声流模拟工作。首先,采用正压流体的密度与压力函数,结合粘性流体动力学方程,对方程组采用特征变量的波动分析,证明了该方程能描述水中的涡旋和声波传递。然后,本文结合时空守恒元解元算法求解该方程组,并对一些典型气动声学问题进行了计算和对比研究：通过计算分析了二维顶盖半圆腔驱动流,本文计算结果与其他研究结论进行对比分析,证实了该方法可以准确模拟出流体的粘性;通过对平面声波在不同粘性流体中传播进行了数值模拟,声波衰减趋势与理论解完全一致;最后,本文还通过对Rayleigh声流问题进行非定常数值模拟,得到的模拟结果与其他研究学者结论完全一致。这说明,采用二维弱可压缩方程组及时空守恒元解元方法,能够模拟水中的声波传播及耗散过程。