Least-Squares及Galerkin谱元方法求解环形区域内的泊松方程

为研究基于Least-Squares变分及Galerkin变分两种形式的谱元方法的求解特性,推导了极坐标系中采用两种变分方法求解环形区域内Poisson方程时对应的弱解形式,采用Chebyshev多项式构造插值基函数进行空间离散,得到两种谱元方法对应的代数方程组,由此分析了系数矩阵结构的特点。数值计算结果显示:Least-Squares谱元方法为实现方程的降阶而引入新的求解变量,使得代数方程组形式更为复杂,但边界条件的处理比Galerkin谱元方法更为简单;两种谱元方法均能求解极坐标系中的Poisson方程且能获得高精度的数值解,二者绝对误差分布基本一致;固定单元内的插值阶数时,增加单元数可减小数值误差,且表现出代数精度的特点,误差降低速度较慢,而固定单元数时,在一定范围内数值误差随插值阶数的增加而减小的速度更快,表现出谱精度的特点;单元内插值阶数较高时,代数方程组系数矩阵的条件数急剧增多,方程组呈现病态,数值误差增大,这一特点限制了单元内插值阶数的取值。研究内容对深入了解两种谱元方法在极坐标系中求解Poisson方程时的特点、进一步采用相关分裂算法求解实际流动问题具有参考价值。     

时空耦合谱元方法求解一维Burgers方程

针对Burgers方程在空间离散格式与时间离散格式方面的精度匹配问题,提出了一种时空耦合谱元方法,求解了一维Burgers方程。求解时在时间及空间方向同时采用了谱元方法离散方程,推导了求解过程,比较了空间方向采用谱元离散结合时间方向分别采用向后欧拉方法、四阶Runge-Kutta方法和四阶Adams-Bashforth方法的数值精度以及时空匹配特性,研究了时间方向网格单元数及插值节点数对时空耦合谱元方法数值精度的影响。研究显示:时空耦合谱元方法能够求解Burgers方程且与传统的时间差分方法相比能够获得更高的数值精度;随着空间方向单元内插值阶数的不断增大,时空耦合谱元方法的数值精度不断提高,且保留了指数阶收敛的特点,具有较好的时空匹配特性;当空间网格划分方式固定时,时间方向上增加单元数或单元内插值阶数,对数值精度提高影响不大,这一结论与相关研究结果一致。研究内容对引入与空间谱元方法精度相匹配的时间离散格式具有指导意义。     

用切比雪夫谱元方法求解均匀流场中的声传播问题

利用谱元方法中的无穷光滑插值函数的高阶精度特点,结合隐式时间推进算法的稳定性,推导并实现了低马赫数均匀流场中声波动方程的切比雪夫谱元解法,进而得到了流场影响下的声传播问题的数值解.该解法对均匀流场中的声传播问题在空间上进行谱元离散,在边界上引入Clay-ton-Engquist-Majda吸收边界条件,在时间上利用隐式Newmark积分方法推进求解.算例与解析解的对比验证表明:该解法在空间上可以实现高阶精度,在时间上达到2阶精度;使用的隐式New-mark时间积分方法稳定性好,计算工作量相对较小;当数值解达到稳态传播时和解析解吻合得非常好.随着计算条件的飞速发展,加密网格并采用更高阶的切比雪夫谱逼近可以进一步提高精度,以适应计算气动声学的精度要求,另外可尝试采用更高精度的吸收边界条件以改善边界反射对计算声场的干扰.     

一种新的有限元与边界元的对称耦合方法

本文从弹性力学分区变分原理出发,提出一种新的有限元与边界元的对称耦合方法.与目前通用的超单元形式的对称耦合法相比,本文的方法理论上比较直接,计算上更为经济,易于利用现有的有限元与边界元程序予以实现,也易于推广应用于局部的材料非线性或接触非线性问题,文中通过有限域、无限域及半无限域等问题的算例,对该方法的有效性作了比较全面的验证.     

谱元方法求解含吸收边界的声学问题

推导并实现了带吸收边界条件的二维波动方程的切比雪夫谱元解法．该解法引入一阶Clayton-Engquist—Majda吸收边界条件，在空间上利用谱元方法，在时间上利用中心差分的积分方法得到波动方程的离散形式，并给出具体算例进行了验证．结果表明：该解法在空间上具有谱精度，在时间上达到二阶精度；与第一类边界条件相比，吸收边界有效地削弱了边界上的数值反射，避免了解的失真；使用中心差分的时间积分方法同隐式积分方法相比，适合波的传播特性，避免了矩阵求逆运算，并且占用的计算机内存小．     

外肋圆管内层流换热耦合问题的边界元方法

本文讨论了在固体区域应用边界元方法(BEM)和在流体区域应用Duhamel理论相结合,求解外肋圆管内层流换热耦合问题的计算方法。计算分析了各参数变化时的影响。本文的工作很好体现了应用BEM求解耦合传热问题的优越性。     

复杂区域上粘性/非粘性耦合方程的一个谱元方法

分析粘性／非粘性耦合问题的一个谱元法。通过基于谱元法的区域分解技巧，构造并分析了复杂区域中粘性／非粘性耦合问题的一个高阶算法。通过整体变分方法并借助推广了的Lax-Milgram鞍点理论，证明了离散解的存在唯一性。     

边界元方法在声辐射问题中的应用

讨论了边界元方法在声辐射问题中的应用.对于由Helmholtz方程描述的声辐射问题,可建立对应的边界表面积分方程,但此方程在特征频率时其解不唯一.本文利用辐射物体内部参考点的积分方程作为补充限制条件,与边界表面积分方程进行线性叠加,可克服这一困难.针对脉动声源,计算表面声压,取得较好的效果.     

采用有限元-边界元耦合方法计算弹塑性应力

采用有限元－边界元耦合方法对高压三通进行弹塑性分析．在处于弹塑性状态的连 接处附近区域使用边界元方法，其它部分采用有限元方法．给出了一种界面处理方法。计 算实例表明此方法有较好的计算精度和效率．     

基于曲边平面谱单元的弹性波传播分析

针对现有的谱单元多将单元几何边界考虑为直线或平面,对具有复杂曲线或曲面形状的结构几何离散近似误差较大,从而影响了弹性波传播分析精度的问题,推导了一种亚参数曲边平面谱单元,对单元几何形状采用二次插值,对位移场函数可采用高于二阶的任意阶插值,并讨论了一般高次曲边/曲面谱单元的推导方法. 以矩形平面结构中的波传播分析为例,对比了曲边谱单元、直边谱单元及常规有限元的数值模拟结果,验证了单元的有效性. 以具有曲线边界的圆环结构中的波传播分析为例,对比了采用曲边和直边谱单元数值模拟结果的差异. 结果表明,采用直边单元近似曲边结构,由于几何误差较大,弹性波传播分析结果误差较大;曲边单元能够获得更好的模拟精度.      

谱元法应用于涡声传播问题的研究

为了满足计算气动声学对低色散、低耗散高精度数值离散格式的需求,将高精度谱元法结合声比拟理论应用于求解气动声学问题。以伪声压的时间二阶导数作为非齐次波动方程的声源项,空间离散采用谱元法,时间离散应用隐式Newmark法,并在外边界采用C-E-M吸收边界条件,求解了由两个相距为2r0的等环量点涡组成的同向旋转涡对的发声问题。旋转涡对的不可压缩流场通过复位势理论获得,声源由流场量计算得来,并将数值结果与应用多级匹配展开法得到的解析解进行比较,可得数值解与分析解吻合较好。研究结果表明:应用高精度谱元法进行空间离散时,每波长的网格数为11时可达到很高的精度;网格数一定的情况下,时间步长越小得到的数值解与分析解之间的误差就越小;另外,证明了将伪声压对时间的二阶导数作为声源项,能够高精度求解不可压缩流动引起的气动声学问题。     

面向裂纹扩展的连结型刚体-弹簧离散元模型

针对连结型刚体-弹簧离散元的单元排布型式对仿真裂纹扩展路径严重失真的问题,提出了一种考虑多层邻近单元作用力的离散元模型。该模型在1层、2层和3层邻近单元搜索方法下的离散元弹簧刚度参数和断裂判据由材料应变能守恒法则推导得出。采用不同层数邻近单元搜索方法对Kalthoff和Winkler的平板材料动态剪切实验的裂纹扩展轨迹进行了离散元仿真,结果表明,随着离散元模型中邻近单元搜索层数的增加,不同单元排布型式对裂纹扩展路径的影响下降;在3层邻近单元搜索方法下,受不同单元排布影响,仿真得到的裂纹扩展的起止时间仅相差2μs,裂纹扩展轨迹十分接近并与实验结果吻合。采用3层邻近单元搜索方法的离散元模型可以有效地仿真材料裂纹扩展路径,可望成为研究材料断裂过程的工具。     

研究均匀损耗介质中声波传播特性的一种新方法

本文引入两个与声衰减有关的介质参量,定义了声传播系数;导出了具有粘滞性衰减和导热性衰减的均匀介质中的声波波动方程;分析了频率和介质参数对声波衰减、相移及声速的影响,所得理论结论能较好地解释有关文献的实验结果.     

谱元方法求解波动方程及影响其数值精度的相关因素

为探讨波动方程的高精度数值模拟,采用Chebyshev谱元方法结合隐式Newmark时间积分方法求解波动方程.求解一个具体算例验证了数值方法的可行性,讨论了时间步长、Newmark因子以及计算区域的网格剖分方式对数值精度的影响.结果表明:和差分法相比,谱元方法求解波动方程具有所用网格节点少,数值精度高的特点;数值误差随时间步长减小而减小;在满足稳定性要求的前提下,数值误差随着Newmark因子的减小而减小;当总网格节点数相同时,不同的网格剖分方式所得数值误差不同.所述方法和结论可用于模拟声波在空气中的传播.     

谱元方法求解波动方程时显式与隐式差分方法的比较

分别将显式中心差分和隐式Newmark差分方法与Chebyshev谱元方法相结合,探讨了当采用谱元方法求解气动噪声问题时,这2种时间差分方法对数值精度和计算稳定性的影响.通过模拟噪声扰动在自由空间的传播过程,比较了2种时间差分方法的数值误差,研究了显式中心差分方法的稳定性条件.由此得出以下结论:当显式中心差分方法稳定时,2种差分方法均可得到有效的数值解,在同一时刻的同一网格节点上,Newmark方法的数值误差约为显式方法的2倍左右;当计算采用的时间步长大于显式中心差分方法的临界步长时,显式方法发散,Newmark方法的数值结果仍和解析解保持一致.     

Chebyshev谱元法求解含吸收边界的二维均匀稳定流场的声传播

从群速度的角度推导了包含均匀稳定来流的二维波动方程的1阶吸收边界条件,基于Che-byshev谱元法提出了二维均匀稳定来流波动方程的求解方法.在空间上采用谱元方法,在时间上采用隐式Newmark积分法,从而获得了波动方程的离散形式.经具体算例验证表明:与1阶Clay-ton-Engquist-Majda吸收边界条件相比,所推导的吸收边界条件能更有效地削弱边界上的数值反射,避免解的失真,求解方法在空间上具有谱精度,在时间上达到了2阶精度.     

用积分平均方法求解压电圆柱壳内波的轴向传播

对压电圆柱壳体内波的轴向传播进行了研究。应用积分平均方法得到了一组位移和电势耦合的拟二维动力学方程,并且求解了这组方程。发现当波沿着圆柱壳体轴向传播时,物质的径向运动、轴向运动和电势的变化相互耦合,伴有频散现象;但是扭转运动可以独立表示,并且同电场无关,无频散现象。在得到频散关系的基础上,通过数值计算模拟出压电圆柱壳体在受到端部轴向应力脉冲激励后壳体内的轴向应力和电势分布图。还讨论了压电圆柱壳体半径比对波传播的影响。