系泊型浮体运动的无网格法数值模型

针对系泊型浮体在运动中可能出现的绳索保持绷紧、由绷紧变松弛、保持松弛和由松弛变绷紧等4种状态,基于移动粒子半隐式法基本流固耦合模型,提出了一种刚体运动状态判定机制。对浮体受到绳索牵引而运动受限的情况提出了一种处理方法:按体积分的形式计算流体对浮体的压力、重力和它们的力矩,求解刚体动量方程和转动量方程得到浮体的速度和角速度,浮体因受到绳索作用而径向速度降为零,浮体以切向速度绕绳索固定端旋转。对用单绳系泊的二维浮体在孤立波中的运动进行了数值模拟,捕捉到了上述4种运动状态,可以观测到绳索保持绷紧时绳索与浮体的固连点的轨迹为一段圆弧。同时,浮体在水平、竖直和转动方向3个自由度的运动信息均可以从计算结果中提取研究。数值模拟结果符合物理原理,模型的建立扩展了移动粒子半隐式法的应用范围,为模拟固体运动受限制的流固耦合问题提供了思路。     

液滴斜向撞击液面的移动粒子半隐式法数值模拟

采用移动粒子半隐式法在三维情况下对液滴斜向撞击液面的过程进行了数值模拟,很好地解决了撞击过程中自由液面的大变形问题,捕捉了液滴变形、冲击凹坑和液柱凸起3个特征现象及其发展变形过程,分析了不同撞击角度对液柱凸起的高度、角度及运动前沿的影响.结果表明,液柱凸起最高点的运动在水平方向上基本匀速,液柱凸起与水平面的夹角随撞击角度减小而减小,当凸起达到最高点后,该夹角将在重力与黏性作用下骤减.     

一种适用于移动粒子半隐式法的自由表面识别方法

针对移动粒子半隐式 (MPS) 法中自由表面判定方法的不足,提出了一种基于邻居搜索的自由表面识别方法,其介于MPS法每时间步的显式和隐式修正之间,基于粒子周围的邻居分布,将周围区域分为8块,其中相邻区域无邻居时的粒子属于自由表面粒子,且在实际中,该方法与粒子数密度参数混合使用,在可能被误判的数密度参数区域使用邻居搜索.结果表明,该混合方法能够有效识别自由表面,避免非自由表面粒子被误判,且对算法的效率影响不大.     

模拟自由表面问题的移动粒子半隐式模拟方法

使用移动粒子半隐式(MPS)法对典型的自由表面流动问题--二维溃坝问题进行了模拟,研究了不同粒子分布对模拟结果的影响,发现对于过大和过小的粒子间距均无法得到合理的结果.将模拟结果与SPH、VOF法结果和实验结果进行了比较,发现MPS的模拟结果介于VOF和SPH的模拟结果之间.在没有引入黏性的情况下,MPS法得到的结果比VOF法的结果更接近于实验结果,预期引入黏性后可达到与SPH法同样合理的结果.     

自由表面流动的移动粒子半隐式模拟方法

引入可压缩因子，对移动粒子半隐式方法（MPS）进行了改进，解决了MPS方法在计算中容易出现的不稳定问题．使用改进后的方法对液柱倒塌算例进行了模拟计算，并将计算结果与实验及其他数值计算结果进行了比较．计算表明，引入可压缩因子大大提高了计算的稳定性，且方法简单易于实现，在液柱与挡板发生碰撞、流体发生大变形时依然能进行有效地模拟。     

移动粒子半隐式方法的计算效率优化

针对无网格法计算效率普遍不高的局限性,以移动粒子半隐式(MPS)方法为例,将计算耗时较多的程序模块作为优化对象,以降低计算等级和减少计算次数为优化手段,从搜索算法、数学运算和计算实现形式3个主要方面进行了改进.提出了用低级运算来代替高级运算、用方位比较来代替距离比较的位置比较消冗法来优化搜索算法,消除了大部分无效计算,大大降低了计算的复杂程度和计算量,使得该方法的计算效率得到显著提高,增强了MPS方法的应用范围和工程时效性.该算法具有非常好的普适性,容易在类似算法中移植,还有随着计算规模的增大优化效果更加明显的特点.同时,发现多种优化方式的组合使用并非效果叠加,需考虑它们的兼容关系.     

用移动粒子半隐式法模拟液舱横摇晃荡现象

应用移动粒子半隐式法（MPS）模拟了半满粘性液舱的横摇晃荡运动.模拟中每个时间步分为显示和隐式两步,控制方程中利用粒子与周围粒子之间的关系取代了传统方法中的差分项,利用粒子数密度的变化来判别自由表面.MPS法作为一种Lagrange数值方法,存在着粒子穿透现象.文中使用了一种防穿透方法,取得了较好的结果.结果表明,MPS法在复杂曲面的布点及自由表面的表现上有一定的优势.     

移动粒子半隐式法核函数特征对压力求解稳定性的影响

针对移动粒子半隐式法在求解特定问题时,压力求解可能会出现一定程度的波动,分析了移动粒子半隐式法中核函数曲线形状特征对压力求解稳定性的影响,构造了一种指数多项式型核函数。模拟了典型静压(静水压力问题)和动压(液体晃动问题)算例,并将模拟结果与理论解或实验值进行对比,研究结果表明:改进的核函数可有效抑制模拟过程中压力求解的振荡现象;核函数与对应粒子数密度比值曲线的形状特征可真实反映粒子间相互作用关系,在稳定性分析中起着至关重要的作用。当核函数是光滑单调递减非负函数且最大值为有限值、两粒子间距离与影响半径的比r/r_e在[0,1]区间时,曲线两端附近核函数数值变化平缓更有利于使粒子保持合理距离,压力求解更加稳定;在r/r_e为0.8的附近,核函数值过小时会影响系统的动力学性能。     

基于移动粒子半隐式法的齿轮搅油损失分析与试验验证

将移动粒子半隐式法应用于齿轮搅油损失分析,以研究齿轮传动中搅油损失的内在特性.以单齿斜齿轮为对象分析其在不同浸油深度、齿轮转速和齿轮宽度条件下的搅油损失情况.分析结果表明,齿轮转速对搅油损失的影响最大;浸油深度对搅油损失的影响也较为显著;齿轮宽度对搅油损失的影响则不太明显.根据仿真分析结果建立了单齿斜齿轮搅油损失数学模型.搭建试验台架,通过试验与仿真数据的比较,验证了移动粒子半隐式法在计算搅油损失方面的可行性和准确性,从而为齿轮传动搅油损失的进一步研究提供了一种新方法.     

一种适用于移动半隐式法的缓解压力振荡方法

针对无网格移动粒子半隐式（MPS）法压力振荡性过大,且难以处理压力的问题,提出一种新的压力缓解方法.该方法在MPS法压力计算方程中加入用以保证流体不可压缩的速度散度为零的条件,在MPS法计算完成后对压力进行适当的时间平均,得出最终计算压力,在一定程度上缓解压力的振荡.通过溃坝和船体横摇晃荡2个实例,将新方法和MPS法进行比较,验证新方法在不增加计算量的基础上对缓解压力振荡有很好的效果.     

金川矿区深部巷道围岩流固耦合稳定性数值模拟

 地下水渗流会影响巷道围岩力学性质,本文结合流固耦合基本原理,以金川二矿区深部巷道为例,采用MIDAS/GTS建立了金川二矿区1000m水平某巷道流固耦合模型,研究渗流对围岩应力场、围岩变形及开挖卸载影响。计算结果表明,渗流作用对巷道围岩竖向应力的影响大于水平应力,渗流也导致围岩最大、最小主应力比无水时偏大。渗流和无水状态下围岩变形空间分布具有相似性,渗流对巷道围岩水平位移影响相对较小,但对围岩竖向位移影响较大,其中巷道拱部竖向位移明显大于无水状态,渗流时拱部最大位移约为8.2mm,而无水时仅2.3mm左右。因此,渗流效应将导致巷道顶板稳定性变差。开挖卸载对渗流场的影响表明,开挖后巷道周边压力水头迅速降低,孔隙水压力最小降为零,且孔隙水压力也从水平层状分布变为沿巷道轮廓环形带状分布。     

微灌压力调节器调压特性流固耦合数值计算及分析

针对微灌压力调节器在调压过程中内部压力、速度分布及调节组件运动状况等特性难以用传统方法分析的问题,采用流固耦合方法进行了数值计算。通过对比数值计算与实验结果发现,进出口压力的最小相对误差为0.98%,最大相对误差为14.28%,流量的相对误差为6.19%,从而验证了流固耦合方法的可行性。在此基础上,对压力调节器内部压力、速度分布以及调节组件的轴向位移趋势等特性进行了分析,结果表明:稳定工作状态下压力损失主要发生在调节组件与进口花篮堵头之间,压力损失占进口压力的28.13%～34.17%,该值随着进口压力的增加而增大;进口压力达到一定值后,调节组件的轴向位移随进口压力的增加而增大,最后稳定在13mm～13.8mm之间并呈波动性变化。所得结果可为微灌压力调节器设计提供参考。     

Numerical Simulation of the Slit-Trap Dam Based on Fluid-Structure Interaction

Debris flow can cause serious damage,and it is a part of the study of fluid-structure interaction(FSI).FSI analysis was established on the interaction between unsteady flow and the slit-trap dam's vibration,with a coupling bench which can transfer fluid pressure and structure displacement.Debris flow can be seen as the Bingham body of incompressible.Based on ANSYS and CFX softwares,unidirectional and bidirectional coupling methods were used to study the transient interaction between debris flow and dam.The comparison between lateral fluid pressure states under different velocities and the equivalent stresses of the dam under different coupling conditions was made.The result shows that fluid-structure coupling becomes stronger with the increase of flow velocity.The maximum equivalent stress appears at the dam foundation,while the minimum equivalent stress appears at the dam abutment.With the increase of height,the fluid pressure decreases.The fluid pressure based on unidirectional FSI analysis is larger than that based on bidirectional FSI analysis and the maximum appears on the joint of the dam foundation and channel.The maximum equivalent stress of the dam based on the former is less than that based on the latter.     

考虑流固耦合的近海风机动力响应数值计算

研究了固定式海上风机的流固耦合问题.选取美国可再生能源实验室(NREL)建立的5 MW海上单桩式风机模型,采用Kaimal谱和风剪切指数理论模型,通过NREL编写的程序—TurbSim,生成脉动风场,进而使用气弹程序FAST计算风力机的气动荷载,输出包括剪力和弯矩在内的塔顶荷载时程.选取Pierson-Moskowits波浪谱,并利用谐波叠加法模拟随机波浪.采用Morison公式计算波浪力,分别建立了海上风机塔架考虑与不考虑流固耦合效应时的动力方程及数值模拟方法,并对比分析了这两种情况下的波浪力和结构响应的差异.结果表明,两种情况下计算得到的波浪力和风机响应有明显差异,并且这种差别跟风浪大小等因素有关.     

基于计算流体动力学法的风场模拟和流/固耦合问题

介绍了计算流体动力学（CFD）方法中的各种湍流模型和数值求解方法,阐述了流/固耦合问题的描述方法与求解策略,分析了强耦合算法和弱耦合算法、流场和流/固耦合研究中的网格生成与更新技术,以及耦合界面的信息传递方法,指出了其网格建模中存在的一些难题.     

飞行体与等离子体在压缩区内相互作用数值解

在压缩区内,飞行体天线辐射出的高频调制场影响等离子体中的电荷分布,而电荷分布的扰动又反过来影响场量.采用FTCS有限差分格式方法,利用二维三分量轴对称, 对空间飞行体与压缩区等离子体非稳态相互作用过程进行数值模拟,得到了电荷密度扰动与电磁场的变化情况. 计算结果表明, 这种非线性相互作用可以引起场的塌缩并出现密度空洞.通过对密度空洞变化的探测, 可对隐身飞行体进行跟踪.     

箔片动压止推气体轴承流固耦合数值模拟

针对鼓泡弹性箔片动压止推气体轴承的结构,在假设内部流体为层流、沿气膜厚度方向压力不变、忽略流体体积力和惯性力的基础上,建立了可压缩性流体Reynolds方程;采用有限差分法,在考虑流场为等温过程的条件下,对Reynolds方程进行了数值求解,得出轴承内部的压力分布。充分考虑鼓泡结构在压力作用下的弯曲变形,采用双向流固耦合模型,分析了顶层箔片的变形与压力场之间的相互作用,结合薄板弯曲模型得出的轴承顶层箔片的变形和气膜间隙分布,分析了轴承数、箔片结构对轴承性能的影响。研究结果表明:支承结构位置不当会直接影响气膜压力的分布,造成承载能力下降;提高轴承数、增大进出口气膜间隙比和轴承内外径之比,可以提高轴承的承载性能;节距比为0.5时承载性能最佳。该结果可为鼓泡弹性箔片动压止推气体轴承的结构设计提供参考。     

一种用于流固耦合分析的有限元网格简捷更新方法

针对流固耦合分析中的移动边界问题,在拟固体二步法的基础上,提出一种新的有限元网格更新方法:第一步(预测步),将流体网格作为指定位移边界条件下的拟固体,进行线弹性分析;第二步(校正步),根据第一步计算得到的应变场,采用主剪应变方法,赋予主剪应变较大的单元以较大的杨氏模量,对所构造的非均质固体进行运动分析,得到理想的更新网格.采用不同算法对不同运动类型(包括平动、转动、变形)和不同运动幅度下的二维、三维网格运动进行计算,结果表明:与一步法和Chiandussi法相比,文中提出的方法具有较强的适用性,能显著地减小单元的畸变,使网格保持优良的计算性能,适用于大变形流固耦合问题中的网格更新计算.     

波流作用下导管架码头结构浮运模拟数学模型及验证

提出了一种导管架浮运稳定性数学模型．模型中,将导管架看作刚体,主要考虑波流荷载及拖缆对导管架的作用;依据刚体运动学相关理论,建立了导管架运动方程;波浪水流荷载用莫里森公式计算,控制方程采用4阶龙格一库塔方法进行求解．模拟了导管架浮运过程中波浪作用下6个自由度的位移响应和拖缆力,与水槽试验得到的拖缆力实测结果进行了对比,二者符合较好．对不同波浪入射角度和水流流向条件下导管架拖航情况进行了数值模拟,发现逆向入射30。浪的拖缆力最大,大于正逆向浪的情况．分析了缆绳与拖航方向的平衡角随横纵向流速比的变化趋势,得出比值越大,拖缆与航向的平衡角越大的结论．