燃烧室热-声-固耦合数值模拟研究

为减少NO_x等污染物的排放,现代燃气轮机多采用贫油预混燃烧技术,由此产生较为突出的燃烧振荡与燃烧室结构疲劳问题。应用有限元软件建立燃烧室数值模型优化燃烧室模型网格;对比分析进气速度対数值模拟结果的影响;运用单向耦合与双向耦合方法计算分析了燃烧室热-声-耦合特性。研究表明:网格质量在一定程度上影响计算精度,进气速度对数值模拟结果影响较大;相对于声压载荷,热载荷对结构固有频率和振型影响较大,特别是在高频段;双向耦合较单向耦合数值模拟结果与实际情况更为接近。热-声-固耦合分析方法对发动机燃烧震荡机理研究及其抗热-声-固耦合疲劳设计具有应用参考价值。     

基于双向流固耦合模型的溃坝水流数值模拟

弹性结构在运动流体的作用下会产生动力响应,对结构本身的安全性和耐久性都提出了更高的要求。使用开源计算流体力学软件OpenFOAM和开源计算固体力学软件CalculiX建立双向流固耦合模型,对溃坝水流冲击刚性结构和弹性结构的过程进行了数值模拟。首先对比了代数流体体积法和几何流体体积法在分析溃坝水流冲击刚性结构时的精度,结果表明几何流体体积法能够更为准确地模拟剧烈变化的自由液面。进一步采用几何流体体积法对溃坝水流冲击弹性结构的双向耦合问题进行了分析,弹性结构的动力响应和自由液面的分析结果与前人的数值结果吻合良好,表明目前的数值模型可以应用到实际工程的流固耦合分析中。     

平板流固耦合振动的数值分析

采用了一种基于紧耦合的流固耦合算法,对流场与柔性平板之间的耦合运动进行了数值模拟.流场部分通过有限体积法求解任意拉格朗日 欧拉描述下的不可压缩N-S方程,而结构则由有限元法离散求解拉格朗日坐标下的弹性动力学方程.在一个时间步内,流场与结构计算区域的交界面上进行多次的数据传递和插值,以保证满足耦合面边界条件.计算了在静止流场中弹性板的自由振动和方柱后部平板的涡激振动现象,监测了平板的振幅和频率以及水动力载荷.通过与前人结果的比较,验证了所采用的流固耦合算法的可靠性.同时,分析了不同的材料参数对于平板耦合运动的影响.流体黏性越大对平板振动的阻尼作用越明显,而流体密度的增加会加速振动的衰减,并降低振动的频率.对于具有较低固有频率的结构,在耦合运动中的振动幅度和频率也较小.
     

利用互易定理的混响声场数值模拟

运用有限元-边界元耦合的数值模拟方法,对航天器结构在发射飞行阶段的高强度噪声环境激励响应问题进行了研究.首先介绍了传统的构建混响声场的数值模拟方法;其后利用声振耦合中的互易定理,将混响声场的激励问题转化为结构模型上力激励引起的场点声压响应问题,并采用随机分析原理,用谱分析方法推导了结构在混响声场激励下的响应计算公式;最后建立了航天器典型结构的声振耦合模型,并分别用传统方法和利用互易定理的方法进行了数值模拟.结果表明:2种方法的仿真结果几乎完全吻合,而且相对于传统方法,利用互易定理的数值模拟方法可以显著减少求解的时间和存储计算文件的空间.     

基于SIMP方法微电容加速度计结构固有频率拓扑优化

基于连续体结构拓扑优化的SIMP材料插值模型,以叉指式微电容加速度计弹性梁和质量块的一阶固有频率最大化为目标函数,以体积比作为约束条件,建立了弹性梁和质量块的拓扑优化模型。采用优化准则算法进行迭代求解计算。获得了满足不同体积约束并使一阶固有频率最大的微电容加速度计弹性梁和质量块的多种拓扑优化结构,其中28%体积比约束下的拓扑优化结构与其初始结构相比,一阶固有频率提高了3 330 Hz,提高比例达46.4%。计算结果表明通过构建的拓扑优化模型及优化求解方法可以较好地解决微加速度计频响范围过窄的问题。     

一种耦合算法的三维弹性空腔声振特性分析

针对三角形单元边界适应性强、位移插值简单、自由度低的特点,利用面积坐标构造了平板三角形单元位移插值函数,以对平板进行了动力学建模分析。此后,为了对三维弹性空腔声振问题进行较高精度的数值分析,弹性板采用三角形单元进行离散处理,而声腔域使用了在声学问题上具有精度高的光滑有限元方法建模。充分考虑结构和声场的耦合作用,建立了该类结构声振分析的一种新模型,并分析了弹性空腔声振特性。通过数值计算对比表明,这种耦合模型计算规模较小、计算结果精确,可进一步应用于形状更复杂的三维弹性空腔声振特性分析中。     

基于浸没边界和格子玻尔兹曼的流固耦合算法

为将格子玻尔兹曼方法(LBM)用于土木工程结构的气动弹性计算,提出了一种基于浸没边界-格子玻尔兹曼(IB-LB)方法的流固耦合算法.该算法在多松弛时间格式的格子玻尔兹曼框架下构造大涡模拟作为流场求解器;采用龙格-库塔法求解结构运动方程.为满足流固耦合面的无滑移性并提高算法的计算精度,采用一种迭代格式的浸没边界实施流固耦合面的数据交换.基于流固耦合算法编制分析程序对矩形断面的横向风振和福斯桥的颤振等气动弹性问题进行了模拟.与现有试验及数值结论的对比分析表明:本文算法可以较准确地预测矩形断面的涡振锁定风速、驰振临界风速及福斯桥的颤振临界风速.     

热镀锌线沉没辊装置振动分析与结构优化

为抑制锌液中沉没辊装置的振动,提出了基于湿模态的结构优化方法,进行在线振动实验,建立了湿模态液固耦合理论分析模型.结合实验及湿模态计算结果,确定待优化阶次的固有频率及其关键尺寸.根据生产工艺条件及悬臂灵敏度分析结果,确定辊筒壁厚和悬臂厚度为设计变量,设定固有频率的目标范围,建立了优化设计模型.结果表明:相对原始方案,获得的最优方案各阶湿模态固有频率均避开了实验得到的主振频率;根据固有频率与设计变量的关系,还得到了辊筒壁厚服役范围为50~57mm.     

膜结构风致响应的分区耦合算法

采用完全隐式的分区耦合的方式,将用于计算流体流动和结构变形的软件结合起来.其中,结构和流场的几何模型分别通过有限元软件ANSYS和CFD软件建立.对流体域的模拟采用有限体积法,计算三维的、不可压缩的、湍动流动;对结构域的模拟采用有限元法,并且考虑了薄膜结构几何非线性.在每一时间步内对结构场、流体场依次求解,通过把前一个物理场的计算结果作为外荷载施加于后一个物理场来实现两个场的耦合.最后对一鞍形膜结构进行了风致响应计算,验证了这种耦合算法的可行性.     

船用螺旋桨流固耦合振动特性分析

在船舶航行中,应避免激振力的频率与螺旋桨叶片固有频率接近而产生的共振,达到避振效果.分别使用直接耦合数值计算和瞬态激励实验方法,研究了某实桨叶片在空气中和浸入静水域中的固有流固耦合(FSI)振动特性.结果表明:数值计算与实验结果吻合较好;直接耦合法具有精度高和收敛性好的优点.根据工程实际要求,提出了螺旋桨叶片首阶振动频率的经验公式,估算精度满足要求,具有节省时间、提高效率的优点.     

透过皮肤的电磁耦合

设计了应用于神经功能恢复微电子植入系统供能模块的电磁耦合模块.通过对印刷电路板(printed circuit broad,PCB)平面螺旋线圈电学参数及其互感耦合的理论分析,确定发射、接收线圈几何参数的取值.首先进行线圈电学参数测试,然后将发射和接收线圈组合成电磁耦合模块,分别在空气和皮肤两种介质条件下进行耦合测试定量实验.实验结果表明:接收电压随发射电压线性变化;发射和接收线圈空间匹配时,相对于空气介质,皮肤介质使接收电压产生更大衰减.发射和接收线圈空间匹配可以增加接收电压;在可实现的发射电压范围内,可以获得所需的接收电压.     

Quadratic Yukawa coupling and matrix Yukawa coupling in the large N expansion

In this article, we study three types of new Yukawa couplings (the boson field is coupled to the fermion field). Two of them are quadratic Yukawa couplings (the boson field is in the form of a vector), and the other one is the matrix Yukawa coupling (the boson field is in the form of a matrix). Based on the above three couplings, we introduce the Higgs mechanism, and find out the properties of the generated mass for the fermions with multiple flavors. For the matrix boson, we introduce its coupling with non-Abelian gauge field. It turns out that the generated mass of the gauge field through the Higgs mechanism is unique. In the large N limit, using the method of auxiliary field, we study the dynamical behaviors of the quadratic Yukawa couplings, including the poles of some dressed propagators.     

Quadratic Yukawa coupling and matrix Yukawa coupling in the large N expansion

In this article, we study three types of new Yukawa couplings （the boson field is coupled to the fermion field）. Two of them are quadratic Yukawa couplings （the boson field is in the form of a vector）, and the other one is the matrix Yukawa coupling （the boson field is in the form of a matrix）. Based on the above three couplings, we introduce the Higgs mechanism, and find out the properties of the generated mass for the fermions with multiple flavors. For the matrix boson, we introduce its coupling with non-Abe- lian~,,au,,e~, field. It turns out that the generated mass of the gauge field through the Higgs mechanism is unique. In the large N limit, using the method of auxiliary field, we study the dynamical behaviors of the quadratic Yukawa couplings, including the poles of some dressed propagators.     

Cardiac excitation-contraction coupling.

Of the ions involved in the intricate workings of the heart, calcium is considered perhaps the most important. It is crucial to the very process that enables the chambers of the heart to contract and relax, a process called excitation-contraction coupling. It is important to understand in quantitative detail exactly how calcium is moved around the various organelles of the myocyte in order to bring about excitation-contraction coupling if we are to understand the basic physiology of heart function. Furthermore, spatial microdomains within the cell are important in localizing the molecular players that orchestrate cardiac function.     

基于统一耦合框架的堆芯物理热工耦合程序的开发及验证

为实现对反应堆多物理多尺度场的综合模拟,基于统一耦合接口理念ICoCo和统一数据传递模型MED库,对中子时空动力学程序CORCA-K和子通道程序CORTH进行了程序封装,并采用supervisor流程控制方案实现了CORCA-K和CORTH之间的耦合.通过三维轻水堆国际基准NEACRP弹棒算例进行程序验证,数值结果表明,基于统一耦合框架的CORCA-K和CORTH的耦合程序可以实现CORCA-K和CORTH之间的场数据传递与耦合计算,计算结果与CORCA-K已开发的耦合接口计算结果符合地很好,二者与基准结果基本一致.     

电场耦合式水下无线电能传输系统的耦合机构

基于电场耦合原理对水下无线电能传输系统进行建模分析,并简述其基本工作原理。对水下无线电能传输系统的关键部分耦合机构进行重点研究,包括水下耦合机构等效电容值的计算、电场分布情况、传输距离对其影响及功率损耗分析,并与空气中耦合机构进行对比。得出结论如下:(a)水下耦合机构的等效电容值比在空气环境中大,并且不受传输距离的影响;(b)增大工作频率和接收端负载,可以减小耦合机构的损耗。设计水下电场耦合无线电能传输实验系统,验证了上述结论。     

多学科变量耦合优化设计方法

基于多学科设计优化原理,提出了面向非层级复杂系统的多学科变量耦合优化设计方法,阐述了其优化设计的基本思路和工作原理.通过设置理想耦合点,构造了耦合函数,使子系统在各自独立优化设计的同时,在系统级的协调下达到耦合关系的满足,并使系统得到总体上的优化.在梳齿式微机械加速度计的优化设计中,对该方法进行了验证.     

气弹耦合作用下平板的稳定性

为了探讨气弹耦合作用下二维平板中存在的稳定性问题及失稳参数域,针对一侧来流二维平板模型,运用正规形理论和中心流形方法简化方程,分析预载荷和气压强与系统失稳关系,并研究系统在退化点附近具有余维三时的分岔及稳定性,给出二维板系统具有静止、颤振等运动形态的参数条件。结果表明：系统在具有两个零特征值的退化点附近,局部范围内会出现极限环和不稳定结点;系统具有零特征值失稳时,预载荷和气压强系数的取值范围为-2．0--1．5和60～100,预载荷与气压强在此类失稳情况下成正比关系。该研究对于工程预防失稳、保障结构安全具有一定参考价值。     

复合模型中实时耦合问题的探讨

通过分析实时耦合复合模型中物模（物理模型）与数模（数学模型）的连接过程，指出：复合模型中的物模部分与数模部分的关系是相互制约、相互依存的，二者间的实时耦合以及耦合的精度是复合模型成功的关键；耦合的时间和空间匹配条件保证了复合模型中物模与数模两个部分连接的时空连续性；控制周期的大小、控制变量的选择以及控制的策略是影响复合模型耦合精度的主要因素，复合模型各部分都应以满足这些因素为前提进行设计。