爆轰波绕射问题的高精度数值模拟研究

高精度数值模拟方法在具有化学反应及强间断的炸药爆轰问题数值模拟中具有重要的应用价值.本文通过求解柱坐标系下二维轴对称反应流欧拉方程组,采用基于Level set界面捕捉方法的欧拉型高精度多介质数值方法,编写了凝聚相炸药非理想爆轰程序,并对TATB基炸药在拐角效应中的死区现象进行了数值模拟研究.通过对比基于压力的点火增长...     

受限空间内多孔介质材料对瓦斯爆炸特性的抑制作用

为研究多孔介质材料抑制瓦斯爆炸传播特性,基于瓦斯爆炸链式反应理论,采用47步反应机理,建立了填充有多孔介质材料的二维管道瓦斯爆炸数学模型。利用Fluent软件分别对充满体积浓度为9.5%甲烷-空气的空管道和铺设有多孔介质材料的管道模型进行数值模拟与对比分析,以研究瓦斯爆炸过程中火焰传播速度和爆炸压力波受到多孔介质材料的影响。结果表明:多孔介质材料的复杂孔隙增加了自由基与孔壁的碰撞几率,使能够参与反应的自由基减少,抑制火焰传播;一部分爆炸波被多孔介质材料吸收,且在微小孔洞中经过多次反射和散射,造成能量损失,使爆炸压力波降低。     

爆轰双向驱动双状态并行技术的原理性研究

爆轰驱动激波风洞是用来产生高超声速高焓试验气流的地面试验装置,通常分为正向爆轰驱动激波风洞和反向爆轰驱动激波风洞两种.本文针对单独正向或反向驱动模式的不足,提出一种新型的爆轰双向驱动模式,同时利用爆轰波的高能波阵面和泰勒稀疏波尾部平稳端,在一次试验中同时实现中焓与高焓两种高超声速试验气流.本文利用高温热化学反应流动数值计算技术,模拟并分析了爆轰双向驱动激波风洞中的关键波动力学过程,数值计算结果表明,爆轰双向驱动技术是可行的,而且正向驱动端和反向驱动端的状态调整具有相对独立性,可以覆盖中高焓大范围跨流域试验能力.     

三维可压大气中重力波波包非线性传播的数值模拟

采用全隐Euler格式(FICE)对重力波波包在风场中的三维非线性传播进行了数值模拟, 给出了重力波波包三维非线性传播的全过程, 分析了重力波的传播特性及风场对重力波传播的影响. 结果表明: 二维全隐Euler格式能够推广到三维情况下使用, 并能保持计算的长期稳定; 波振幅的增长比线性条件下的指数增长要快, 非线性传播使水平扰动速度大幅度增长, 会导致局地背景风场的增强; 波包非线性传播的路径、能量传输速度不同于线性重力波理论给出的结果, 非线性效应导致了重力波传播特性的改变；风场会改变重力波传播的路径和速度.     

理想气体非定常有摩擦有传热一维流动的显式波动解析解

对理想气体在有摩擦有传热时的非定常一维流动给出了一些代数显式解析解, 其中包括1族带行波的解、3族带驻波的解及1个带驻波的解. 前4族解中均含有任意函数, 所以实际上包括了无限多个解析解. 这些波动解除有其重要的理论意义, 并且可以指导一些新型设备的研制外, 还能作为标准解促进计算流动流体力学的发展, 例如用以检验数值解的准确度、收敛性等及帮助发展各种数值计算的技巧, 如差分格式与网格生成等.     

一种基于WENO的无通量分裂低耗散格式

本文发展了一种基于WENO格式的无通量分裂的数值方法.这种格式使得原本是常数的通量分裂WENO格式中的最优化系数成为变量,令其随着特征空间中的特征值而变化.这样WENO格式中的权重就同时与当地的特征值和光滑性量度有关.通过对WENO权重的计算,避免了通量分裂过程,从而降低了数值耗散性.我们对这种新格式进行了一系列数值实验,结果表明,相比于带有通量分裂的WENO格式,新格式具有较低的数值耗散以及在相同网格密度下较高的分辨率.数值实验也表明了这种新格式相对较高的计算效率.特别是一个包含有激波、较强剪切和较长时间演化的算例中,以本文所发展的无通量格式和包含通量分裂的WENO格式进行计算,流场解出现了较为明显的差异.可以证明,这种新的无通量分裂格式是降低数值耗散、彰显真实物理粘性效应的有效途径.     

三维非理想高磁雷诺数磁流体流动的数值模拟

对三维高磁雷诺数下非理想可压磁流体方程组发展了基于TVD的守恒格式.八波模型磁流体方程组属于非严格的非凸双曲型方程组,Powell对该方程组进行了修正并建立了一组新的磁流体方程组.修正后的方程组形式上非守恒,不能直接采用守恒型格式.针对该方程组构造了基于TVD的守恒格式,并通过一维磁流体激波管问题进行了验证;对不同情况下的非定常磁流体Rayleigh问题和定常Hartmann问题数值模拟结果和解析解的比较说明算法可靠性较高,可采用此算法对高磁雷诺数下的磁流体问题（如宇宙磁流体问题、钝头体高超声速绕流）进行有效的数值模拟.     

快速压缩机中激波反射起爆过程数值模拟

对在快速压缩机上使用高速摄影观察到一种由激波反射引起的超级爆震起爆机理进行了数值模拟研究.高速摄影获得的图像显示起爆发生在燃烧室近壁面处.通过建立与试验结果对应的物理模型,使用CFD软件数值模拟了激波发展过程,研究了激波与燃烧室壁面的交互作用,解析了激波反射引发爆震燃烧的过程.结果表明,激波在圆形燃烧室传播过程中会在近壁面区域发生马赫反射,三波点滑移线与壁面之间形成高温区,高温区中热点自燃发生局部热爆炸形成的激波与反应面耦合最终发展为爆轰.     

基于模拟有限差分的嵌入式离散裂缝数学模型

嵌入式离散裂缝模型划分网格时不需要考虑油藏内的裂缝形态,只需对基岩系统进行简单的网格剖分,可以大大降低网格划分的复杂度,从而能够提高计算效率.并且该模型可以将现有成熟的油藏数值模拟技术和离散裂缝网络模型有机地结合起来,能精细地模拟流体在裂缝性油藏中的流动.本文模型求解采用模拟有限差分方法,该方法基于单个网格的节点和面信息构造数值计算格式,理论上适用于任何复杂网格系统,且具有良好的局部守恒性,将其推广到嵌入式离散裂缝模型后,克服了该模型基于有限差分方法求解时不能有效处理全张量形式的渗透率以及不适用于复杂边界形状裂缝性油藏的局限性.最后通过实际算例验证了本文方法的正确性和优越性.     

钠层对重力波响应的模拟研究

把时变的非线性、可压缩动力学重力波模式、二维中高层大气光化学模式、二维钠层光化学模式以及国际参考电离层模式(IRI-95)相结合, 建立了钠层对重力波响应的二维时变模式. 模式中考虑了光化学反应产生的非绝热效应以及重力波对大气化学反应以及对化学成分输运的影响. 模式在水平方向利用拟谱方法, 对垂直方向和时间采用有限差分方法, 并利用FICE方法对模式求解. 给出了模式模拟的初步结果. 计算表明重力波的传播可造成钠层强烈的扰动, 改变钠层的分布, 其扰动传播的计算结果与观测相一致.     

一种模拟弹性波在层状地基中传播的简化高阶双渐近透射边界

在强烈地震作用下,层状地基与结构之间的动力相互作用将对结构的动力响应产生重大影响,其难点是模拟波动在无限层状地基中传播引起的辐射阻尼效应.基于比例边界有限单元法(SBFEM)构建的层状介质标量波高阶双渐近透射边界能够在全频范围内快速收敛到准确解,具有很高的计算精度和计算效率,并且具有良好的数值稳定性.以二维水平等高层状地基为研究对象,将弹性动力学方程强行解耦得到两个独立的标量波方程,基于解耦的标量波方程构建了一种层状地基弹性波传播模拟的简化高阶双渐近透射边界.同标量波高阶双渐近透射边界一样,该透射边界具有良好的计算性能.数值算例结果表明,该透射边界对底部为固定边界条件的水平层状地基具有良好的模拟精度.     

直墙结构物对台礁礁坪上规则波传播特性的影响

在岛礁的礁坪上建设水工结构物对其所在水域的水动力环境会产生很大的影响.本文通过二维物理模型试验,研究了在理想形状的礁坪上建设直墙式水工结构物对规则波在礁坪上的变形、破碎和增水过程的影响.实验中测定了不同淹没水深和入射波况下礁坪上的波面高度和波浪增水变化过程,分析了直墙结构物对上述水动力过程的影响,并将实验数据与前人的实验结果进行比较分析.基于伪周期孤立波理论对Gourlay提出的礁坪上波浪增水计算公式进行改进,使改进的相对波浪增水值与淹没水深关系式与本文实验值吻合得更好.     

障碍物扰动对预混火焰发展的影响

要 研究了半开口管道中障碍物对预混火焰传播的影响. 结果表明, 由于障碍物引起的扰动, 使火焰在传播过程中不断加速, 同时管内压力上升. 根据火焰速度的量级, 在受限管道中的火焰传播可以分为3种状态: 熄火态、雍塞态和爆轰态. 在贫燃极限附近, 火焰加速一段距离后自动熄灭; 在雍塞态, 最大火焰速度略低于燃烧产物声速, 基本上不受阻塞比变化的影响; 随着当量比的上升, 对敏感气体而言, 火焰传播由爆燃转变为爆轰, 最大火焰速度随阻塞比的增加而降低; 而对于非敏感气体, 则不存在爆燃转爆轰现象. 管内压力随障碍物阻塞比的变化并不呈现单调规律. 同时用非稳态可压缩流体模型模拟了管内的火焰加速和压力发展过程, 计算结果和实验结果吻合得较好.     

直接解N-S方程模拟高雷诺数过跌坎水流

首次在较粗网格下成功地由N-S方程直接数值求解了高雷诺数过跌坎水流.跌坎水流是典型的由大涡控制的紊流运动,作为一种近似可忽略小涡影响,网格尺度易满足描述大涡特征分辨率的要求,从而可在较粗网格实现直接数值求解N-S方程获得紊流流场.文中采用基于剖开算子法的欧拉-拉格朗日相结合的有限单元方法,对雷诺数Re=44000的二维跌坎水流进行了数值模拟.用16669个节点组成的三角形网格离散流场,在个人电脑上仅用150min即完成全部计算,不但给出了流场的时均特征,而且给出了它的紊动瞬时特征.数值试验表明,主要计算成果和试验甚吻合,由N-S方程直接数值求解工程中高雷诺数复杂紊流问题将成为现实.     

早期裂纹故障预示中的高精度小波有限元算法

提出了任意尺度Daubechies小波一维、二维单元构造方法以及小波有限元自适应提升算法, 采用小波尺度函数作为插值函数, 利用小波多分辨分析了具有变尺度逐层逼近函数的特性, 获得了嵌套递进的多尺度有限元逼近空间.     

基于控制理论的透平叶栅气动反设计优化

本文应用控制理论,采用提出的基于网格节点位置坐标直接变分法,研究建立了一般性优化问题的伴随系统,研究发展了基于控制理论的轴流式透平叶栅气动反设计优化方法与系统.该伴随系统的推导过程以尽可能的减少计算资源为宗旨,应用分部积分公式和连续伴随方法,最终得到的目标泛函变分的表达式中仅仅含有网格坐标变分的边界积分项,避免了梯度计算过程中网格内部节点的重复生成,相对于传统的伴随方法更进一步节省了计算资源.伴随系统的数值求解采用ROE格式近似黎曼通量和显式五步龙格-库塔时间推进法,并使用多重网格技术和当地时间步长加速收敛.为验证本文伴随系统的稳定性、通用性、收敛性和精确性,通过定义不同的目标函数进行了考核,研究结果表明,本文所研发的伴随系统和反设计优化系统具有优秀的鲁棒性和高效性,能够有效应用于轴流式透平叶栅气动反设计优化中.在此基础上,结合本文所研究的气动优化理论,建立了应用Euler方程和N-S方程的伴随方法叶栅气动反设计优化方法与系统,研发了轴流式叶栅的二维、三维无黏及黏性条件下的压力反设计、等熵马赫数反设计软件,成功进行了数值算例研究,验证了该优化系统的有效性和经济性.     

柔性多体系统接触碰撞子结构动力学模型

对柔性多体系统接触碰撞的子结构动力学模型进行了深入的研究. 将柔性杆纵向碰撞的解析解与该对象的子结构动力学模型的数值解进行了对照, 揭示了子结构动力学模型能描述在接触碰撞期间应力波在柔性杆中的传播现象以及波的传播速度与杆的某些参数间的关系, 研究了影响该模型精确性的参数范围, 给出了该参数的一些优化值.     

模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法

主要目的是概述用于模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法.该方法可同时模拟近域介质材料的复杂性和远域介质的无限延伸性.以描述二维和三维弹性和粘弹性固体介质中的波动方程为基础,推导了动力无穷元的质量矩阵和刚度矩阵.所建立的二维动力无穷元模型可同时模拟P波和SV波在该单元中的传播;而所建立的三维动力无穷元模型则可同时模拟P波,S波和Rayleigh波在该单元中的传播.有关计算结果表明:有限元与动力无穷元耦合方法既可从物理概念上、又可从数值方法上较为精确地模拟波在弹性和粘弹性固体无限域中的传播,为解决在科学研究和工程实践中所涉及到的无限域问题提供了一种先进的科学研究工具.     

大涡模拟在超音速燃烧领域的应用研究

随着大涡模拟技术发展日臻成熟及目前计算机运算速度的提高,大涡模拟已经逐渐由理论研究阶段进入工程实用阶段.采用大涡模拟进行超音速燃烧数值模拟时,必须能够准确模拟小尺度上的燃料/空气湍流混合过程及化学反应动力学过程.本文回顾了大涡模拟中的主要亚网格模型及亚网格燃烧模型,总结了国内外采用大涡模拟在超音速燃烧研究领域的应用情况,为大涡模拟的进一步发展和应用提供参考.     

稀相气粒两相流中亚网格尺度涡对颗粒扩散影响的LES／FDF模拟

本文基于颗粒扩散率这一参数,应用LES／FDF模型对稀相气粒两相流中亚网格尺度涡对颗粒湍流扩散的影响进行了数值模拟研究．通过将使用LES／FDF模型得到的模拟结果与不使用LES／FDF模型得出的结果进行对比后,得出：对于小颗粒（小Stokes数颗粒）,大涡结构是影响颗粒空间扩散的主要因素;但是对于中等粒径颗粒和大颗粒,亚网格尺度涡对于颗粒扩散率的影响与大涡处于同一数量级．亚网格尺度涡在大多数情况下会使颗粒扩散率增大,但有时也会降低颗粒扩散率．亚网格尺度下颗粒的扩散率不仅仅取决于亚网格尺度涡的强度和Stokes数,还与流场中的大尺度涡结构有关;对于各向同性湍流中的颗粒,在亚网格尺度涡的作用下,其扩散率随粒径增大而降低．