基于k-ε模型的剪切流中湍流动能衰减规律研究

分别从理论推导和数值模拟的角度,分析了剪切流中湍流动能的衰减规律.通过简化湍流变量输运方程,采用Matlab求解了使用标准k-ε模型计算剪切流时湍动能在不同高度处的数值解,通过fluent数值模拟,验证了理论数值解,并与均匀流中的数值模拟结果进行对比,分析了在剪切流中入口湍流强度和湍流黏性比、来流速度梯度和输运方程扩散项等对湍流变量衰减的影响规律.结果表明:剪切流中存在湍流动能衰减;入口湍流强度对湍流变量输运方程生成项的影响较大,湍流黏性比对湍流变量输运方程生成项的影响较小;当入口湍流强度相同时,入口湍流黏性比越大,湍动能衰减的越快,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越小;当入口湍流黏性比相同时,入口湍流强度越大,湍动能衰减的越慢,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越大.     

变边界下考虑起始水力坡降的软土固结数值解

文章引入边界处孔隙水压力随时间指数变化的变排水边界及软黏土中存在的起始水力坡降,建立单层均质土体的一维固结模型;利用有限差分方法对所建立的固结模型进行数值求解,分别获得土层超静孔压、土层固结度的数值解;利用数值解深入分析随时间指数变化的变边界及起始水力坡降对固结性状的影响。分析结果表明：当起始水力坡降的无量纲参数R相同时,变边界无量纲参数B越大(排水边界越接近于完全透水边界),移动边界下移速度越快,土中超静孔压的消散速率越快,固结完成时间越短,反之亦然;当B值相同时,R值越大,移动边界至土层底部的时间越长,相同时刻下超静孔压残留值越大,土层平均固结度越小。     

回采情况下采空区煤自燃温度场理论与数值分析

为了从理论基础上研究煤自燃基础参数对煤自燃的影响,通过建立动坐标系下采空区煤自燃数学模型来掌握工作面回采时采空区煤自燃的过程.该模型结合煤自燃极限参数计算方法和热传导理论,计算简化后的自燃数学一维模型解析解,利用一维数值计算,分析不同参数对采空区煤自燃的影响.研究结果表明:增大回采速度,可以有效地减低煤温;浮煤越厚,漏风速度越大,煤越易自燃;当遗煤放热量与温度成正比时,距离工作面越远的点其温度越高,且呈指数形式增加;当发热量为常数时,采空区距离工作面越远的点其温度越高,且呈线性形式增加;考虑到沿采空区的深部方向,氧气浓度逐渐降低,遗煤放热量随着深度增加而逐渐减少,该数值结果与实际结果较接近;由于采空区是一个立体几何空间,采空区温度场与氧气浓度场、速度场存在耦合作用,因此,有必要基于三维或二维数值模拟技术继续深入研究回采情况下采空区煤自燃.     

椭圆形截面织构的最优参数设计模型

为建立流体润滑状态下表面织构的最优参数设计模型,采用求解表面织构润滑计算模型的方法研究织构参数和工况参数对摩擦因数的影响规律.研究结果表明:最优织构直径越大,其对应的最优织构深度也越大;深径比参数不能作为织构尺寸参数对摩擦因数影响的唯一表征,即织构直径和深度2个参数应分别进行研究,但当深径比在0.005～0.01之间时,不论织构直径和深度如何,其对应的摩擦因数均较小;最优织构面积比与织构尺寸参数及工况参数无关;载荷越大,速度越小,对应的最优织构深度越小,而最优织构直径越大.在仿真结果的基础上,建立椭圆形截面织构的最优参数设计模型,并对模型进行试验验证和应用分析.     

两相流CO_2喷射器内部流场的数值模型

利用计算流体动力学模拟软件Fluent建立两相流CO_2喷射器非均相模型,基于非均相模型对CO_2喷射器的内部流场进行数值模拟,分析喷射器内部流场的相变、压力和速度变化情况,通过实验验证了模型精度;通过改变喷嘴段结构参数,探究了喷嘴设计对于喷射器性能的影响,并对喷射器结构进行优化.结果表明:喷射器喷射流量以及引射压力的模拟值与实测值的误差分别为6.5%和5.0%,即所建模型具有较高的精度;当喷射器喷嘴段出口出现激波现象时,流体的压力和速度均出现波动,并且存在明显的边界层;喷嘴发散段的长度越长,喷射流量越小,喷射速度越高;通过优化喷嘴段结构参数,可使喷射器的效率提高10.5%.     

考虑非达西渗流的结构性软土非线性固结分析

在传统太沙基一维固结理论基础上,引入经典的Hansbo非达西渗流模型,考虑天然土体结构性对固结的影响,建立实际变荷载作用下土体的非线性固结模型,并利用有限差分法求取模型的数值解.在保证数值解可靠性的基础上,分析非达西渗流对结构性软土固结性状的影响及非达西渗流下土体结构性对固结性状的影响.结果表明:非达西渗流下结构性软土的固结速率要比达西定律下慢,且随非达西渗流模型参数m和i1的增大,固结速率的减小愈加明显;对考虑非达西渗流的结构性软土而言,结构屈服应力越大,结构屈服应力前土的压缩指数越小,则结构性软土的固结速率越大,地基土的最终沉降值越小.     

砂卵石层隧道离散元细观参数标定及影响规律研究

砂卵石层隧道围岩具有大小颗粒混杂,形状不规则等特点.在进行数值分析时与传统有限元计算差别较大.因此,运用离散元颗粒流软件对砂卵石层隧道围岩进行细观参数标定及数值模拟,通过开展室内试验以及砂卵石层细观参数影响规律研究.结果表明,二维模型和三维模型的细观参数标定结果不同,且相同细观参数情况下,二维模型得到的峰值强度远大于三维模型;颗粒粒径与试样尺寸对于应力应变曲线形态有显著影响,但当颗粒粒径与试样尺寸比值大于1/60时,影响减弱;颗粒形状对于应力应变曲线特征值有较大影响,颗粒越扁平,峰值强度越高,颗粒越接近圆形,则峰值强度越低.通过对砂卵石层围岩进行数字图像处理,得到了砂卵石层围岩的颗粒性状,结合筛分试验和大型三轴剪切试验,标定得到了不同相对密实度及不同含水率情况下的砂卵石层细观参数.     

颗粒刚度变化对胶结砂岩力学响应的影响

为分析胶结砂岩的力学响应和破坏机理,基于试验建立不同刚度比的三维颗粒流数值模型,验证数值模型的可行性,并分析不同胶结性状的砂岩力学响应,进一步说明胶结物质的重要作用及模型的适用性.分析颗粒接触刚度比和平行黏结刚度与颗粒接触刚度的比值变化时,砂岩的应力比、体应变、配位数和平行黏结破坏数的变化规律以及对模型的泊松比、初始刚度和延性的影响.结果表明:不同的颗粒刚度比对岩样宏观力学响应的影响不同,颗粒接触刚度比越小,且切向刚度越大时,胶结砂岩的脆性越强;平行黏结刚度与颗粒接触刚度的比值越大,脆性越强,黏结破坏越容易,剪切破坏越明显.颗粒刚度对胶结砂岩的力学响应和变形能力有重要的影响,是实际储层砂岩力学模拟选择有效细观参数和构建本构关系的关键.     

硅功能化石墨烯负极材料的最优化初始构形

硅功能化石墨烯作为锂离子电池的阴极材料,其最优化的初始构形会提高电池的可逆容量、充放电速率和使用寿命.文中应用分子动力学方法,采用Tersoff势函数与LJ势函数,结合速度形式的Verlet算法,对硅功能化石墨烯进行了弛豫和拉伸等力学性能模拟,提出了材料最优化的构形.通过对不同硅原子分布、不同硅碳比、不同空位缺陷率、不同拉伸速度和不同温度对材料的体积、势能、弹性模量、拉伸应变、强度等性能的影响进行了模拟.研究表明,硅原子随机分布时的系统势能最大,体积变化介于横向分布和交叉分布之间,模型的力学性能参数也最高;硅原子数目越多,模型表面褶皱越明显,系统的势能越低,体积也越大;当硅碳比为3.28%时,力学性能参数最大;空位缺陷率越大,模型系统势能越高,体积越大;当缺陷率为1%时,材料的力学性能参数最高;力学性能参数随着拉伸速率和拉伸温度的变大而减小;当速率为0.5 nm·s~(-1),温度为300 K时,材料的力学性能最好.     

一类双曲型方程两种差分格式的对比研究

文章研究了双曲型方程的显式差分格式与隐式差分格式,并进行了数值模拟.数值实验结果表明步长比s为1/3时,两种差分格式都稳定,但显格式的计算效率高且数值解的最大误差小;步长比s为3/2时,显格式不稳定而隐格式稳定,该结论恰好与双曲型方程的显、隐格式稳定性的理论结果相一致;在步长比相同的情况下,对时间和空间区间分割越细密,数值解的最大误差越小.     

基于ALE算法的水射流破土特性

为探究水射流破土过程中射流参数对破土特性的影响,通过ALE流固耦合算法建立了淹没状态下水射流破土的数值模型,开展水射流破土的室内试验验证了数值计算结果的准确性。基于数值模型分析不同射流速度和靶距下冲蚀深度与体积的变化特征,探讨射流参数对破土特性的影响机制。研究结果表明：水射流破土形成的冲蚀深度随着射流速度的增大而逐渐变大,且随着射流时间的增加会呈现线性增长、缓慢稳定增长和稳定三个阶段;靶距越大冲蚀深度越小,但冲蚀体积受射流速度的影响较大,在低速时冲蚀体积随靶距的减小而增大,而在高速时冲蚀体积则会先减小后增大再减小;基于试验结果分析敏感性可知射流速度对冲蚀深度与体积的影响程度要大于靶距。     

穿越断层破碎带隧洞注浆范围研究

以福建龙津溪引水隧洞工程为背景,隧洞在穿越断层破碎带时,在设计注浆条件下,存在着严重掌子面渗水的施工地质灾害。鉴于此,利用FLAC3D、ANSYS等数值模拟软件进行了各注浆工况下的渗水机理分析,综合比选获得最佳的施工注浆参数和注浆范围。得出了如下结论:1注浆圈厚度越大,掌子面处最大渗流速度越小;当注浆圈厚度大于3 m时,渗流速度的减幅不明显;2注浆长度越大,掌子面处最大渗流速度越小;当注浆长度大于9 m时,渗流速度的减幅不明显;3隧洞在穿越断层时,掌子面处渗流速度明显增大,施工时应多加注意。研究结论表明:分段高压注浆增强了隧洞掌子面的稳定性,使隧洞的开挖过程更加安全。     

郑州市地下水渗流场的数值模拟和优化管理

建立准三维数值模拟模型和优化管理模型对郑州市地下水资源进行评价、管理。以非均质各向同性渗流模型模拟地下水流,用不规则三角网格有限差分法求解。先解逆问题反求参数,再解正问题计算地下水各项资源量,并数值预报地下水渗流场至1998年。将模拟模型与规划模型相耦合,建立了地下水资源优化管理模型。     

基于染病人数检测的布鲁氏菌病动力学模型分析

以染病人数作为检测行为的依据,建立动力学模型来分析检测行为对布鲁氏菌病传播的影响.首先计算基本再生数R_0,分析地方病平衡点的存在性;然后证明无病平衡点是全局渐近稳定的,当R_01时疾病是一致持续的,并且得到了疾病的最优控制解;最后通过数值模拟发现,当参数满足一定条件时,系统会出现周期解.     

铝药型罩环形聚能射流的数值模拟

基于一种药型罩材料为铝的环形聚能装药结构,通过Autodyn软件模拟不同起爆方式（起爆环直径D₁）和不同长径比（L/D）的装药,计算得到环形射流的成型过程和速度分布曲线.分析数值模拟结果发现:环形射流成型过程主要受长径比影响,长径比较小时射流发生内偏,长径比较大时射流发生外偏;射流轴向速度主要受长径比影响,长径比越大轴向速度越大,头部轴向速度最大相差约700 m/s;射流径向速度主要受起爆方式影响,平均径向速度最大相差为220 m/s,起爆环直径和长径比在较小或较大时,射流径向速度梯度较大;结合射流成型和速度结果,D₁=0.5D、L/D=1.0时射流综合性能较好.侵彻混凝土板试验的通孔直径为装药直径的2.6倍,数值模拟结果与试验结果误差为7.7%,验证了计算模型及算法的合理性.      

基于浮式防波堤的后弯管波浪能发电模型研究

后弯管波浪能发电技术是振荡水柱发电技术中的一种,因其具有良好的波浪能捕获性能而被广泛研究。为了研究吃水深度、气室形状、后弯管迎浪面形状和水平管长度对后弯管俘获宽度比的影响,首先基于仿真软件Fluent建立波浪水槽数值模型,然后进行比例模型试验,最后对比数值模型和比例模型结果以验证仿真结论。研究结果表明:在形成封闭气室的条件下,吃水深度越小,俘获宽度比越大;当气室形状改变造成工作液面截面积变化时,会对俘获宽度比产生影响;气室形状对喷嘴处流速影响明显,当气室倾角θ为60°时,俘获宽度比和喷嘴处流速最大;改变后弯管迎浪面形状可以改善波浪能捕获效果;长度适合的水平管可以提高俘获宽度比,当水平管长度超过波长的1/4后俘获宽度比降低。可见,4种参数对后弯管的发电性能有较大的影响。研究结果对浮式防波堤的海上发电工程具有一定的参考价值。     

半解析数值法分析四边自由中厚板的受力特性

根据Reissner中厚板理论,结合胡海昌的解耦函数法,本文构造出一种能满足全部自由边界条件的试函数,并以此建立两个广义位移,用该位移求得双参数地基上四边自由矩形中厚板弯曲问题的解析解.利用最小平方误差法并结合数值算例,重点探讨了板弯剪刚度比、地基刚度以及地基剪切模量对弹性地基上四边自由中厚板受力特性影响规律.结果显示:(1)Vlazov地基模型优于Winkle地基模型,因为它考虑了地基剪切刚度的影响,使得板的内力和挠度均有减小,发挥了地基的潜力;(2)当地基刚度较小时,地基的剪切模量对板的挠度和内力的影响显著;当地基的刚度较大时,剪切模量对板的内力和挠度的影响不明显.本文计算精度高,计算工作量小且便于对参数进行分析,以及提供数值分析法判据等多项特点.     

求解自由边界问题的自适应投影方法

对一类自由边界问题,提出了基于线性互补问题的自适应投影算法.采用有限差分格式将自由边界问题离散为一个线性互补问题,然后用自适应投影迭代算法求其数值解,该方法在迭代过程中自动调整参数,达到加快收敛速度的目的,每一步迭代只需要求解一个线性方程组.给出了具体算法过程,并利用投影性质得到了它们的收敛性分析.最后用数值算例对算法验证,与已有的算法比较,结果表明:参数对自适应投影算法影响较小,该方法收敛速度更快.     

L1极小化问题的一种Gauss-Seidal算法

采用罚函数法与Gauss-Seidal算法相结合的思想研究求解L1极小化问题的数值算法:把L1正则化问题视为对L1极小化问题的一种罚函数,由于该函数是非光滑函数,采用光滑化函数对其进行光滑逼近;在此基础上,对此无约束光滑极小化问题采用Gauss-Seidal迭代法求其某种形式的非精确解;再通过合理调整罚参数和光滑化参数, 使得算法产生点列收敛于L1极小化问题的解;最后,通过数值试验测试文中算法的效果, 并从数值计算角度与已有算法进行比较, 结果表明,文中算法具有很好的数值效果.     

倾斜同心套管内自然对流换热的数值模拟

对倾斜同心套管夹层内的自然对流换热进行了数值模拟 .采用面扫描结合三维块修正的技术 ,并在压力和速度修正方程中运用了预测和校正技术 ,使得程序的收敛性、收敛速度和计算精度大为提高 .数值模拟结果表明 :同心套管在水平放置且高宽比 H较小时受端面效应影响换热要低于二维模型得到的值 ,在 H>1 0情况下可以用二维模型来近似 ;在倾斜放置时 ,决定换热的因素除Ra之外 ,半径比、H、倾角等均有影响 ;换热 Nu随 Ra和半径比的增大而上升 ;此外存在一临界高宽比 ,其值约在 3～ 5,与半径比有关 ;当 H小于临界值时 ,Nu随倾角的增大而上升 ,反之则下降