基于流固耦合方法的气压密封阀仿真分析

针对气压密封阀的流固耦合问题应用一种解耦分析方法,并利用循环迭代法建立了统一的流固耦合计算模型。在流固耦合模型基础上,使用有限元分析(FEA)和计算流体动力学(CFD)联合计算方法对气压密封阀进行仿真分析,得到气压密封阀在流固耦合作用下的工作特性,并且对不同结构参数的模型进行了研究。通过分析不同气体压力、控水环和密封环厚度下气压密封阀的变形,给出了气压密封阀的变形规律,同时还给出流体运动状态,为气压密封阀的优化设计提供了依据。     

考虑解吸扩散过程的煤层气流固 耦合渗流研究

煤层甲烷运移包含解吸、扩散和渗流过程,同时又存在渗流场、变形场和应力场的动态耦合作用。本文建立考虑解吸、扩散过程的气、水两相渗流场与煤岩体变形场以及物性参数间耦合作用的多相流体流固耦合渗流模型并进行了数值模拟,通过试井资料的实际数据与流固耦合模型的数值模拟的结果比较表明流固耦合模型比较接近实际。     

页岩气藏流固耦合数学模型

页岩层是超低渗透率的储气层,页岩气藏开采过程中流固耦合效应表现明显.基于渗流力学和Biot固结理论,综合考虑页岩气藏储层的启动压力梯度,页岩气渗流过程中的解吸附,建立了一个适用于滑脱流、孔内扩散等页岩基质孔隙内所有气体流态形式的流固耦合数学模型.页岩气开采流固耦合数学模型包含了气体渗流和页岩变形相互作用的耦合项,必须进行耦合求解.使用显式迭代编制相应程序求解其数值解,计算结果表明,考虑流固耦合和不考虑流固耦合对页岩气开采过程中压力分布影响较大,考虑流固耦合情况下,压力降低趋势比不考虑耦合情况下要快,更符合实际开采情况.流固耦合现象对页岩气渗流过程影响较大,页岩气开采过程中必须考虑流固耦合影响.     

发动机全可变配气参数多元回归耦合研究

基于柴油机仿真模型,依据正交实验原则仿真获得气阀运动参数耦合数据库,利用多元回归分析方法分析配气参数之间的耦合特性,获得气阀运动参数实际最优解.建立电液全可变发动机联合仿真模型验证实际最优解.联合仿真结果表明实际最优解比原优化值功率提高3.8%,在发动机性能提高的前提下,进排气阀平均速度分别降低31.1%和37.5%.获得的配气参数实际最优解可以满足电液系统的驱动能力,有效提高驱动效率.      

压缩机自动阀结构参数的最佳化

本文建立了压缩机自动阀优化设计的数学模型,它包括了10个气阀结构参数作为设计变量、19个限制气阀设计变量及其它中间参数变化的约束条件.目标函数是压缩机的能耗最低,借压缩机工作过程模拟的数值求解得到.压缩机工作过程的数学模型经试验验证,压缩机排气量与指示功的相对误差均在5%之内.用序贯加权因子法对上述优化设计模型求解,得到自动阀的最优结构参数,试验数据表明,用该最优结构参数构成的新气阀使压缩机的能耗指标在可靠性指标不比原机差的前提下有所降低.     

流固耦合作用下含水层地下储气库天然气注采运移规律研究

针对地下储气库天然气注采运移过程中较少考虑应力场与渗流场相互耦合作用的不足,基于多孔介质弹性力学和渗流力学理论,建立了含水层型地下储气库天然气注采运移的流固耦合数学模型。首先通过对研究区块岩心开展三轴试验和应力敏感性试验得到储盖层的岩石力学参数和渗透率与有效应力的关系曲线,在此基础上建立了含水层地下储气库计算模型并对储气库天然气注采运移开展数值模拟研究,对比了耦合模型与传统渗流模型的计算精度;并重点讨论了储层渗透率、储层厚度、注入速率和排水量等参数对天然气运移规律的影响。计算结果表明:建立的流固耦合模型与传统渗流模型的计算结果具有较好的一致性,考虑流固耦合作用比非耦合作用下的储层压力增加1.04 MPa。含气饱和度随着储层渗透率和注入速率的增加而非线性增大,随着储层厚度的增大而非线性减小,随着排水量的增加影响不明显。     

管阀内油水环状流稳定性的流固耦合分析

为了研究管阀与两相流相互作用下的油水环状流稳定性,结合流固耦合模型和VOF模型,进行管阀与油水环状流的双向流固耦合分析,对管壁变形及剪切应力、油相体积分布、速度场进行数值模拟分析。结果表明,管壁变形与壁面剪切力作用的大小与面积随球阀开度变化而变化,管壁变形对油水环状流产生影响。在较小的球阀开度下,流固耦合对阀下游油水两相分布、漩涡强度有明显影响,容易使油水环状流失稳。而在大开度下,流固耦合对环状流无明显影响。在实际开闭阀门操作中应快速反应,减少阀门在小开度过程中的反应时间。     

液压自由活塞发动机配流阀工作特性

研究液压自由活塞发动机配流阀工作特性,以提高系统效率和可靠性.建立了液压自由活塞发动机配流阀工作全过程动态模型及其试验装置,结合仿真和试验分析了配流阀动作过程与泵腔压力变化之间的关系,研究了配流阀工作特性对系统性能的影响.结果表明提高吸油阀关阀速度可以提高系统燃油经济性.排油阀在下止点相对于活塞位移的滞后响应降低了系统低频工作的可控性.配流阀阀芯在开启时易与限位装置发生高速碰撞.降低配流阀构件的工作寿命.     

考虑时间影响的桩锚支护深基坑流固耦合分析

以深圳地区某桩锚支护深基坑为依托,基于有限元软件PLAXIS的土体硬化(hardening soil,HS)模型对深基坑降水开挖过程进行数值计算,得出降水开挖过程中变形随时间变化的规律,并在考虑时间变化的前提下,分析了考虑流固耦合与不考虑流固耦合深基坑变形和支护结构内力计算结果.研究结果表明:①桩体水平位移和坑外地表沉降在开挖后设置的固结期产生了回弹现象,而固结期后的坑底隆起量相对于开挖后有所增长;②考虑流固耦合与未考虑流固耦合时相比,最终桩体水平位移和坑外地表沉降都明显增大,坑底隆起明显减小,降水对桩体竖向位移和对坑底土体变形有类似的影响规律,并且桩体对坑底隆起具有限制作用;③坑底以上的桩身弯矩,考虑流固耦合时更大,而坑底以下部分恰好相反;另外,考虑流固耦合时的最终轴力小于不考虑流固耦合时的最终轴力.     

类车体流固耦合现象实验及数值分析

以改进的类车体模型为对象,将流固耦合效应引入风洞实验和数值仿真中.基于车身位移测量数据,验证数值方法有效性.通过实验与仿真的方法,揭示了在引入流固耦合机制后车体所受气动力及力矩的变化规律及内在机理.研究表明:在车体设计中有必要考虑流固耦合效应.     

基于双向流固耦合的锥阀阀芯位移可靠性分析

传统的阀芯位移稳定性是在系统参数确定的前提下进行的，然而，在实际生产的使用过程中，各种系统参数具有不确定性.针对此问题，建立了一个锥阀工作动态过程的有限元分析模型，采用双向流固耦合和重叠网格方法分析求解压力入口下锥阀的动态响应过程.考虑参数随机性的影响，以阀芯稳定后位移是否超过许用位移量为衡量标准建立阀芯位移波动的极限状态方程，通过Monte-Carlo仿真和Kriging方法，对阀芯稳定后位移的波动情况进行了可靠性分析.研究发现，阀芯稳定位移波动范围小于理论值的19%,阀芯稳定位移的可靠度随着入口压力的增大而降低.     

爆炸载荷作用下波纹夹芯板动力响应的数值模拟

运用AUTODYN对波纹夹芯板在爆炸载荷作用下的动力响应进行了数值模拟。建立了包括炸药、空气、夹芯板结构及支座在内的三维有限元计算模型,分析了爆炸载荷作用下冲击波与结构的流固耦合过程以及波纹夹芯板的动力响应过程,研究了面板、芯层的厚度和屈服强度对夹芯板挠度和能量吸收的影响。数值模拟表明:波纹板在爆炸载荷作用下的动力响应可以分为冲击波与结构的流固耦合阶段、芯层的压缩以及板的整体动力响应等3个阶段;由于波纹芯层在垂直于波纹的方向上其抗弯刚度较大,在结构平行于波纹的边界处更容易受载荷作用而出现褶皱现象;随着面板、芯层壁厚及屈服强度的增大,后面板的最大挠度和夹芯板的整体吸能也随之减小。实际应用中需对芯层、面板的厚度及屈服强度进行合理的设计,使结构既经济又能满足服役环境。     

大坝基岩单裂隙灌浆流固耦合模拟研究

单裂隙是构成裂隙网络的基本元素,对浆液在单裂隙中扩散规律的研究是研究浆液在裂隙网络中扩散的基础.目前灌浆数值模拟研究主要集中在特定参数的取值对数值模拟结果的影响以及数值模拟与模型试验结果的对比,且在考虑流固耦合作用对实际灌浆的影响时均采用二维模型.本文通过构建三维单裂隙特征模型,以对实际灌浆效果影响显著的灌浆压力、裂隙宽度和裂隙倾角等3个因素为研究对象,基于三维离散元方法进行了考虑流固耦合作用的单裂隙灌浆数值模拟参数的敏感性分析.研究结果表明:流固耦合作用对于数值模拟结果的影响随灌浆压力的增大而增大,随裂隙宽度的增大而减小,基本上不会随裂隙倾角的变化而改变.以上结论对于指导基岩裂隙灌浆具有一定的理论和现实意义.     

基于流固耦合的航空导叶作动筒振动特性分析

针对航空发动机高压压气机导叶作动筒在剧烈振动工作环境中的易损问题，确定导叶作动筒在振动过程中的固有频率与相关振型，获取关键结构件在标准功率谱下的动态响应，通过有限元法建立了考虑流固耦合的非线性模态分析仿真模型。通过单一变量法利用仿真模型研究接触刚度、活塞位于不同行程位置对相关固有频率与振型的影响机制，发现关键接触位置的接触刚度因子取0.8能保证仿真准确度并满足接触刚度，工作过程中活塞在行程上的位置发生变化，对第二、三阶的固有频率影响较大。完成共振检查试验，实测固有频率与仿真结果对应良好，验证了有限元分析模型的准确性。基于模态结果，根据航空标准建立随机振动仿真模型，得到关键结构件在3σ下的应力及变形响应，为导叶作动筒结构优化设计提供依据。     

基于流固双向耦合的轿车气动与流致振动特性

传统流体力学数值仿真不考虑车身弹性结构与外流场之间的相互作用，致使得到 的结果与真实情况不符. 以某实车模型为研究对象，对其进行考虑流固耦合效应的CFD仿真， 并在气动阻力、气动升力、流场结构等方面与传统流体数值仿真结果对比，结果表明：流固耦 合效应对气动升力影响较大，随车速增加两种仿真方法差异率可达到 38%，直接关系到车辆 稳定性及安全性 . 利用流固耦合 CFD数值仿真探究整车风激振特性，证明了实车振动幅值主 要影响因素为风激振频率及作用力大小. 进一步通过对车辆弹性结构的刚度优化改善汽车风 激振现象，从而提高乘员的舒适度.     

基于SimHydraulics的水力凿岩机冲击系统动态仿真

以自行研发的后控式SYYG65型水力凿岩机冲击系统为研究对象,在Matlab中应用SimHydraulics工具箱,建立水力凿岩机冲击系统动态仿真模型,实现流体/机械的混合仿真.建模过程不考虑系统运行状态的转换,简单有效地实现了活塞和阀芯在水压力作用下的耦合计算.在泵供水流量为120 L/min,减压阀卸荷压力为16 MPa时,对系统进行仿真计算,获得了在此条件下冲击机构运动与活塞前后腔压力变化典型曲线,并与实测结果进行比较.同时,运用这一动态仿真模型对蓄能器参数进行优化计算.研究结果表明:在有效容积为0.24～0.27 L和充气压力为5.00～5.75 MPa的最优工作参数下,SYYG65型水力凿岩机冲击系统能量利用率有显著提高.该SimHydraulics仿真模型对水力凿岩机冲击系统参数设计和优化匹配研究是有效的.     

气枪声源诱发的浅海海底地震波场建模与试验

为预报浅海中气枪声源诱发的海底地震波场,将有限元法和无限元法耦合,建立了浅海海底地震波场模型.以雷克子波或实测的水中气枪声源信号为输入激励,分别运用声学有限元、结构有限元构建海水和海底,通过施加绑定约束建立海水和海底介质的流固耦合模型,结合实际情况设置沉积层,利用无限元对海水和海底模型的边界进行截断处理,以模拟无限空间,从而构建气枪声源诱发的浅海海底地震波场有限元-无限元耦合模型.开展了海上试验,从时频分布及能量占比角度,对比了海试数据和模型仿真结果,验证了耦合模型的有效性.     

承压含水层地下水开采流固耦合渗流数学模型

以饱和多孔介质流固耦合渗流数学模型为基础,推导建立了适合描述承压含水层地下水开采过程渗流与地面沉降耦合的二维数学模型。并给出了一承压含水层定产量开采的数值算例,计算得出了渗流场的分布特征和中心位置地面沉降量的变化规律,探讨了流固耦合效应。结果表明,考虑耦合效应与否对于计算结果影响较大,本文模型更能反映流固耦合渗流的物理实质。随着时间增长孔隙压力减小,孔隙压力消散的程度越来越快;含水层内部的流固耦合作用较强,而其边界处因受边界条件约束,耦合效应表现则不够明显。中心沉降量随时间增长而迅速增大,且很快趋于稳定,固结沉降速度之快,说明流固耦合效应影响之大。这对于进一步深入认识因地下水开采而诱发的地面沉降机理及制定相应的防治措施都有重要的理论意义和指导作用。     

气动作用下高速列车响应特性研究

该研究的总体研究目标是弄清楚在气动作用下高速列车整车与关键零部件的动力学响应特征以及对运行速度提升后出现的新现象的规律分析与总结。前期主要研究工作是针对气动-轮轨联合作用条件下高速列车动力学响应分析建立分析方法与仿真模型,分析、整理与总结实车实测数据规律,发现新现象,为计算分析模型提供相关的验证数据与条件。后期研究主要是对分析方法与计算模型的改进、完善与检验,对出现的新现象规律进行总结。后期的4项研究内容为:(1)考虑流固耦合的列车刚体动力学分析模型研究;(2)考虑流固耦合的列车刚柔体动力学分析模型研究;(3)气动载荷作用下高速列车车体振动行为及动态响应研究;(4)关键结构疲劳可靠性分析。该研究主要阐述2013年度取得的主要研究进展与阶段性成果。针对上述研究内容,主要研究成果包括:建立了高速列车流固耦合、刚柔耦合仿真模型;建立考虑一系悬挂质量效应与车体弹性的动态响应仿真模型;提出了增量谐波平衡法与线性频响函数法相结合求解高速列车系统稳态解的方法及轨道动态不平顺模拟方法;分析了考虑轨道不平顺作用下,气动载荷对高速列车直线与曲线通过时的动力学响应的影响;获得了高速列车车体振动响应随运行速度的变化特征;对高速列车系统中的内共振现象进行解释与分析;研究了高速列车侧窗受交会压力波作用下的动态响应;分析了高速列车裙板结构在气动载荷作用下的动态响应及颤振行为。     

结合部耦合的能量分析方法

输流管道系统中的水击现象会导致流体压强大幅波动，威胁管道和设备的正常工作，因此评价其瞬变流动特性具有重要的研究意义。该文基于流固耦合(FSI)水击理论，建立了能量分析方法，讨论了流体能量和管道能量的变化规律，旨在描述结合部耦合对水击过程瞬变流动特性的影响。首先采用特征线法对流固耦合4方程模型进行数值求解并验证。在此基础上对模型进行数学推导和变换，获得了管道能量和流体能量的物理表达式和控制方程。深入分析了系统中能量的传递和转换过程，进一步借助无量纲因子对结合部耦合的影响进行了定量化描述。分析结果表明：考虑结合部耦合后，管道下游约束减弱，流体能量和管道能量均有不同程度的增大，系统流固耦合的剧烈程度有所增大，管道运动的剧烈程度显著增大，流体压强脉动的剧烈程度稍有减小。研究成果有助于理解和对比流固耦合水击过程动态响应，对定量化描述其瞬变流动特性具有重要意义。