基于反应欧拉方程投影算法的广域尺度气体爆炸数值模拟研究

近年来广域尺度可燃气体爆炸事故愈发严重,亟需发展有效的数值方法模拟爆炸波的传播发展及其对结构物的作用,预测和评估爆炸造成的危害.本文采用含极端刚性源项的反应欧拉方程描述广域尺度气体爆炸过程,基于算子分裂法,通过高分辨率格式捕捉激波,采用投影法处理化学反应刚性源项,解决了化学反应和流体动力学时空尺度不匹配的问题.通过若干一维爆轰波算例验证了本文数值方法能够在网格尺度欠解析的情况下准确捕捉爆轰波的传播过程,且几乎不受空间重构格式的影响,具有较好的鲁棒性.进一步将一维数值模型推广至二维含复杂结构物气体爆炸问题,几组二维算例表明本文数值模型能够在较粗的网格条件准确捕捉弯曲爆轰波的传播及其散射行为.最后计算了一个广域尺度含复杂结构物的爆炸波算例,表明本文的数值方法具备在空间网格欠解析的情况下模拟真实广域尺度气体爆炸问题的能力,有望为城市爆炸安全评估提供压力、温度等数据.     

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.     

高速侵彻弹体熔化质量侵蚀的数值模拟研究

将质点映射算法嵌入自主开发的MMIC-2D欧拉型爆炸与冲击问题数值模拟程序中,并在计算程序中加入基于熔化热熔融理论的质量侵蚀模型.利用该程序对弹体高速侵彻混凝土靶板问题进行了数值模拟研究,将数值模拟结果与相关实验数据进行了对比,并对侵彻速度、弹体头部系数等影响侵彻性能和弹体质量侵蚀的相关因素进行了分析.     

爆轰驱动高能起爆技术实验研究

爆轰驱动激波风洞的驱动气体声速较高,擅长模拟高总温、高总压的试验气体.降低驱动气体声速会导致起始爆轰困难,因此在低总温、高总压气体模拟方面能力不足.本研究提出了一种新的高能起爆方法——封闭式点火管,在高浓度氮气稀释的氢氧混气中实现了起始爆轰,成功获得了低声速的驱动气体.通过实验明确了点火管起爆能量的主导因素,给出了封闭式点火管的设计原则.通过实验和计算明确了新方法对激波管/风洞流动过程的影响机理,据此提出了封闭式点火管的使用原则.利用这种新方法获得了低总温、高总压的试验气体,为拓展高超声速飞行条件地面试验能力提供了可行方法.     

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.     

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.     

基于SPH的大坝泄流过程仿真分析

采用SPH方法,对溢流坝泄流过程进行了数值仿真.通过人工黏度、固壁边界处理、弱可压缩状态方程的使用,模拟了溢流坝泄流坝面水流演进、水舌空中变化、再入水过程,以及下游水垫塘涌浪变化过程.数值模拟结果和物理模型实验结果的对比分析表明,数值模拟得到的水面线、抛射距离、水舌入水深度与物理模型实验结果基本相符,说明基于SPH方法的数值模拟在一定程度上可以替代物理模型实验进行大坝泄流分析和优化设计.     

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.     

基于改进型XFEM的裂纹分析并行软件实现

扩展有限元法(XFEM)目前已成为裂纹分析的主流数值方法.然而,在实际应用中该方法一直受到两方面的困扰:总体刚度矩阵高度病态以及动力学计算时额外自由度上的能量无法正确传递.前者导致在以迭代法求解为主的大规模计算中难以收敛,后者导致动力学求解精度低、实施困难.为解决这两大困扰,基于无额外自由度单位分解插值格式,提出改进型扩展有限元法(IXFEM).基于该方法,在高性能数值模拟软件开发框架JAUMIN上开发裂纹分析并行软件—PANDA_Fracture.实际算例表明, PANDA_Fracture软件具有如下特色:1)允许引入高精度裂尖加强,支持裂纹任意长度扩展; 2)同时支持动力学裂纹问题隐式求解与显式求解; 3)支持任意多裂纹问题高效求解; 4)支持上千CPU核高性能可扩展计算.     

氢燃烧单步反应模型和输运系数模型的建立

提出了更为合理的氢气-空气混合物的单步反应模型和输运系数模型建立方法.针对氢-空气单步反应方程式H2＋0.5O2→H2O,其反应速率模型为=1.13×1015[H2][O2]exp（46.37T0/T）mol/（cm3s）,输运系数模型为=K/CP=D=7.0×105T0.7g/（cms）.采用该模型和文献模型对ZND爆轰和自由传播层流火焰进行模拟,二者结果具有很好的一致性.另外还采有本文模型模拟了障碍通道内燃烧转爆轰过程,模拟结果与实验结果基本一致.验证了本方法和模型的正确性.     

一种基于聚类分析的数值积分新算法

通过聚类分析找出一般数值求积公式的被积函数出现数值信息波动较大的区域,自适应地采用相应的高精度公式,构造出高精度的自适应数值求积公式.数值试验结果表明,这种新数值求积算法较一般数值求积公式,能显著地减少数据存储量和计算量,提高数值求积公式的稳定性和数值积分的精度.     

超燃冲压发动机燃烧室内湍流燃烧流场的数值模拟研究

应用经显式可压缩修正的SST湍流模型,对超燃冲压发动机燃烧室流场进行了三维数值模拟,并与实验结果进行了对比.通过对燃烧室流场数值模拟结果的分析给出了湍流燃烧流场的特征.为了定量分析超声速流动条件下湍流燃烧的作用特点,基于湍流燃烧理论与湍流燃烧的数值模拟结果,通过对控制无量纲参数在流场中变化的研究发现：超声速燃烧发生的区域为充分发展的湍流区;在喷口附近湍流和燃烧的作用最强烈;超声速燃烧流动中,湍流引起的火焰非定常效应和局部火焰熄灭现象均可忽略,定常火焰面的近似假设是成立的.     

基于CVODE求解器的饱和-非饱和土壤水分运动数值模型

为研究地表滴灌条件下的土壤水分分布特征和运动规律,构建了基于二维Richards方程的土壤水分运动数值模型TIVS（TsinghuaIntegratedVariablySaturatedsoilwatermovementmodel）．将Richards方程空间半离散后利用CVODE常微分方程求解器进行求解,改进了地表滴灌积水动边界的处理方法,提高了数值求解稳定性和计算效率,模拟结果能保持良好的水量平衡．数值模拟检验和试验验证结果表明,模型具有较高的模拟精度,可用于地表滴灌复杂边界条件下的土壤水分运动长期模拟．     

基于嫦娥四号月球车图像的地形遮挡高精度预报试验研究

为进行天际线遮挡角的准确预报,提出了月球车图像的地形遮挡角高精度计算方法.首先阐述了月球车图像的地形遮挡角预报流程,然后重点分析了月球车相机在轨几何标定、基于闭合区域网平差的月球车相机在轨位姿参数估计、月球车位姿参数高精度计算和天际线自动提取等关键技术.最后,通过我国嫦娥四号月球车的专项试验,验证了月球车图像的地形遮挡角高精度计算方法具有较高的地形遮挡角预测精度和应用稳定性.     

考虑心墙不同破坏模式的黏土心墙坝漫顶溃坝过程数学模型

基于黏土心墙坝的漫顶溃决机理,提出一个模拟其溃决过程的数学模型.该模型基于坝体形状和漫顶水流特征确定下游坡冲蚀时的初始冲坑位置,采用宽顶堰流量公式计算溃口流量,并利用溯源冲刷公式模拟坝壳料的冲蚀;通过力矩平衡法与力学平衡法分别模拟了心墙的倾倒破坏与剪切破坏;为了模拟实际溃坝情况,模型考虑了坝体的单侧冲蚀、两侧冲蚀及坝基的冲蚀;采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟溃坝时的水土耦合过程.选择国内外10个具有实测资料的心墙坝漫顶溃坝案例对模型进行验证,通过比对峰值流量、溃口最终宽度及溃坝历时等参数发现,模型计算结果与实测值的相对误差可满足工程需求,验证了模型的合理性.     

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.     

开闸式湍动异重流

用实验和数值相结合的方法研究水槽中的开闸式异重流的演化规律. 利用精细的数字图像处理技术测量了异重流的密度结构, 并用数值方法求得异重流的整体演化过程. 数值模拟基于重正化群(RNG) k-e 湍流应力封闭模式, 能合理反映异重流的过渡性局部化湍流特征. 数值模拟再现了实验中观察到的异重流传播过程中的两个阶段, 即头部速度为常数的初始坍塌阶段和在此之后头部速度按时间的-1/3次幂递减的渐近自相似阶段. 计算结果和部分实验结果表明, 挟带率与头部位置之间满足线性关系.     

地震动随机场的POD降维表达

本文从本征正交分解(POD)的基本理论出发,推导了非平稳随机向量过程的两类POD表达,即基于正交随机变量的POD表达和基于随机相位角的POD表达.澄清了基于随机相位角的POD表达是基于正交随机变量的POD表达的一个特例,并从基本随机变量的数量和约束条件两个方面剖析了它们之间的差异,发现通过施加约束条件可以有效地降低随机向量过程模拟的随机度(基本随机变量的数量).为此,通过对基于正交随机变量的POD表达施加更强的约束条件,实现了仅用2个基本随机变量即可对非平稳随机向量过程进行高效降维模拟,进而可在全概率信息上精细地表达非平稳随机向量过程.通过对地震动随机场模拟的数值分析,得到了非平稳地震动加速度向量过程的均值、标准差、演变功率谱及相关函数等均与目标值拟合一致的良好结果,说明了本文方法的有效性.同时,为了进一步从地震动的工程特性方面验证本文方法的适用性,根据《中国地震动参数区划图》中划分的5种场地类别,选取920条实测强震动记录,从地震动加速度的反应谱和傅里叶幅值谱两个方面进行了对比分析.研究表明,本文方法模拟结果与实测强震动记录具有很好的一致性,这为本文方法的工程应用奠定了坚实基础.     

层叠式锂离子电池展向温度分布的分析解及基于分析解的热设计优化

大型锂离子动力电池的热相关问题是限制其在电动汽车上大规模应用的主要问题之一.单体电池的热模型是进行电池热设计、改善电池热特性的重要工具.根据热模型的求解方法,可分为数值解和分析解两类.在现有文献的研究中,数值解占据了主要地位.但是,分析解因具有计算量小、可实现设计变量的全局优化等优点,在电池热设计和电池组热管理系统中可发挥重要作用.例如,在电池热设计中,分析解可全面考察多个设计参数连续变化下对电池热特性的影响,以进行多设计参数下的全局优化.本文首先对一款大型层叠式锂离子电池进行了数值热模拟和实验验证,数值热模拟的结果与多枚热电偶的实验测量结果吻合良好;然后,基于数值热模拟的结果提取了层叠式电池温度分布和产热率分布的主要特点,进而假设温度呈展向平面分布、产热率均匀分布;针对简化后的电池热问题,利用双重积分变换方法提出了分析解;最后,使用分析解开展了电池的热设计优化工作,讨论了不同电芯尺寸和极耳布置方案下的电池热特性.     

大口径聚能装药侵彻厚混凝土靶板的数值模拟及实验研究

采用自主开发的软件平台EXPLOSION-2D对不同锥角药型罩结构的聚能装药成型进行数值模拟,并得到了聚能装药成型规律以及炸高对聚能装药侵彻厚混凝土靶板的影响.基于侵彻体的性能参数选取了两类侵彻效果较好的聚能装药结构进行侵彻厚混凝土靶板的数值模拟研究.根据侵彻结果设计了一种侵彻厚混凝土靶的聚能装药结构,并进行了相应的实验研究.对实验后混凝土靶板进行剖切,通过混凝土靶的内部破坏情况评估侵彻体对不同位置处混凝土靶的损伤情况,并测量各个位置处的孔洞直径.采用EXPLOSION-2D软件平台对实验工况进行模拟,对比分析实验与数值模拟的结果.对比结果表明该数值模拟技术能够有效地评估混凝土靶板的破坏情况.