基于离散元的流固耦合方法在工程中的应用

该文简要介绍了基于离散元的流固耦合方法的基本原理,在工业生产、工程建设等中的应用,阐述了采用基于离散元的流固耦合方法进行数值模拟在处理实际问题时的可行性和优越性,最后对基于离散元法的流固耦合在工程中的更广泛应用做出了总结和展望。     

基于流固耦合的隧道断层破碎带注浆加固圈厚度分析

隧道穿越富水断层破碎带常发生突涌水及围岩变形失稳等地质灾害,帷幕注浆是治理隧道断层破碎带的有效方法,通过帷幕注浆在隧道周边形成注浆加固圈,降低围岩渗透能力,提高隧道周边围岩强度。为确定合理的注浆加固圈参数,提高注浆加固效果,基于流固耦合理论对隧道周边渗流场、应力场和位移场进行了数值模拟,分析了不同加固圈参数对隧道涌水及变形规律的影响。研究结果表明：随着注浆加固圈厚度的增加,隧道涌水量和变形量均减少,但当加固圈厚度大于一定值时,涌水量及变形量变化均趋于平缓。根据数值模拟结果得出最合理的注浆加固参数并指导工程设计,研究结果对于完善帷幕注浆理论和指导类似工程注浆设计具有一定的借鉴意义。     

内嵌晃荡液体减振的流固耦合分析

在考虑流体黏性及表面张力作用的情况下,采用分离求解器交错迭代隐式耦合的方法建立了内嵌晃荡减振器的弹性悬臂梁做自由衰减振动或受迫振动的流固耦合物理模型,并对悬臂梁晃荡减振过程进行了瞬态数值计算;结合计算结果与减振理论,分析了内嵌流体导致梁振动衰减的主要原因,认为悬臂梁振动过程中液体受迫晃荡受自由晃荡的影响,其相对位移滞后于梁的振动位移,液体对梁的阻碍冲量大于激励冲量。由此,提出了以振动频率与驻波频率的比值γ来表征自由晃荡,并采用数值模拟方法比较了不同γ下方形容器受迫摇晃的液体作用力,以及晃荡减振器在悬臂梁自由衰减振动中的减振性能。结果表明,γ值越大,单位质量液体的减振效果越明显。该结果可为优化晃荡减振器研究提供参考。     

采场应力变化的流固耦合模拟研究

随着矿井开采深度的增加,瓦斯压力对煤层开采过程中采场应力的影响越来越明显。根据煤层瓦斯渗流特性和固体介质变形基本理论,考虑煤层瓦斯压力的变化对煤岩体破裂的影响,建立了煤层开采过程中应力场和瓦斯运移场相耦合作用的数学模型。对含有不同煤层瓦斯含量和不同瓦斯压力的煤岩体,在开采过程中采场应力所发生的变化进行了数值模拟研究与分析。通过研究煤层开采过程中,在不同地应力和煤层瓦斯压力的影响,得出采场应力的变化规律。其结果对于矿井煤层正常开采时,解决采场应力的变化所引起冲击地压灾害事故隐患的技术性问题等提供可靠的理论指导。     

基于ANSYS-Workbench的流固耦合作用下输油管道模态分析

本文采用ANSYS-Workbench研究输油弯管在流固耦合作用下模态分析,通过改变流体流速和压强,分析流固耦合作用的管道的振动频率和应变.首先建立三维模型,然后针对在不同压强和不同流速工况下,管道振动频率和总体变形进行模拟,并与输油弯管自振频率对比分析.研究表明流体压力的改变对振动频率影响相对较大,而流体流速的改变对...     

基于流固耦合算法的多孔铜爆炸压实数值模拟

本文利用LS-DYNA有限元程序及流固耦合算法,对多孔铜的爆炸压实过程进行数值模拟研究。建立了多孔铜爆炸压实的三维四分之一模型,模型只由空气、炸药和多孔铜三部分组成。炸药、空气与多孔铜的相互作用通过流固耦合算法来实现。根据得到的压力云图,对球面爆轰波和滑移爆轰的传播,多孔铜侧壁压力变化等问题进行了分析。结果表明,爆炸压实过程中多孔铜侧壁压力随滑移爆轰的向下传播而逐渐增加,当夹角增加到90度后,角度及压力不再变化,形成稳定的滑移爆轰,多孔铜侧壁压力达到最大值,约为炸药爆压的85%。     

基于流固耦合理论的郑州地铁隧道开挖数值模拟

以郑州地铁某区间的隧道施工为背景,采用基于流固耦合理论的COMSOL Multiphysics多物理场耦合的有限元软件对隧道开挖引起的地面沉降、不同的隧道埋深和地下水位进行数值模拟,并与现场实测结果进行对比分析.结果表明,隧道开挖前,渗流场的压力和应力场的有效应力沿水平方向均匀分布;地表沉降的数值模拟结果与实际较为接近;隧道埋深越深、地下水位越低对地表沉降的影响越小.     

基于流固耦合理论的隧道涌水量预测

涌水量是富水位隧道设计和施工的一个重要参数.结合大伙房水库输水工程的实际地勘资料,建立与实际相符合的三维涌水量数值模型,运用流固耦合理论对该工程进行数值模拟分析.同时,利用FLAC3D内置的FISH函数编程计算出了15+720~15+797工程段的最大涌水量和经常涌水量.计算结果表明:断层带施工前方水流流速较大,易发生涌水灾害;预测出的涌水量与现场实测值比较吻合,具有很好的参考价值.因此,施工过程中要加强前方地下水的探测,及时采取注浆止水措施,以防涌水事故的发生.     

采用流固耦合方法的直升机桨叶鸟撞数值模拟

在鸟撞直升机桨叶过程中,鸟体与桨叶撞击相对速度很大,呈现出流体特性,属于典型的流固耦合瞬态冲击动力学问题。首先针对文献中的鸟撞铝板试验采用ALE流固耦合方法进行了分析,对计算方法与鸟体模型进行了验证。然后进行了桨叶鸟撞数值模拟。数值模拟结果表明ALE 方法能够准确模拟鸟撞过程,适用于直升机桨叶鸟撞分析。通过应力、位移以及撞击压力等计算结果的详细分析,对直升机旋翼抗鸟撞设计具有一定的参考价值。     

基于流固耦合的高温泵叶轮应力有限元分析

根据高温泵零件二维图,应用Pro/E软件对高温泵内叶轮结构模型及整机水体模型进行实体建模,采用CFX软件对高温泵内部流场进行数值模拟,分析了泵内部的压力随不同工况的变化情况,基于流固耦合利用Ansys软件对叶轮施加静力载荷,进行应力应变分析,揭示了整个叶轮的变形情况及应力分布.结果表明:首级结构的对称性使其变形较为均匀,应力应变分布较为规律;水泵叶片根部两侧存在明显的集中应力,并且应力逐渐向叶片外侧扩散,叶片外缘所受到的应力值很小,应力集中点为次级叶片与轮毂相交处靠近进口的位置;在不同工况下叶轮最大静应力随着高温泵轴功率的增大而降低,且线性关系较差.     

水力自动翻板闸门运行过程中流固耦合数值模拟

以某水电站水力自控翻板闸门为例,对水力自控翻板闸门的整个工作过程进行分析,模拟闸门在水位不断上升的情况下闸门开启的过程,从而得到闸门在不同开启角度时的各个流态.所得结论可为闸门设计工作的研究提供参考.     

流固耦合作用下盾构下穿高架桥稳定性分析

本文依托太原铁路枢纽新建西南环线盾构隧道,结合盾构施工中的监测资料,利用有限元分析软件进行数值模拟分析,在考虑流固耦合作用下,并结合实际监测资料,研究了盾构下穿高架桥时地表和地下结构的稳定性,得出了地表、桥承台和桥桩的变形规律及隧道周围孔隙水压力分布规律。研究结果表明：在富水地层中盾构下穿高架桥工程中,考虑流固耦合作用是必要且合理的;盾构隧道施工前采用隔离桩结合深层地层注浆的加固措施能有效地控制地表、桥承台和桥桩变形;盾构掘进过程中主要影响桥桩水平横向位移,对水平纵向和竖直方向位移影响较小;桥桩顶部受到的附加弯矩较大;深层地层注浆加固措施能减弱隧道周围流固耦合作用,降低隧道内涌水风险。     

固体推进剂药柱热-机耦合分析及应用

基于有限元分析的基本原理,建立了热-机耦合问题分析的有限元基本方程,并对固体火箭发动机药柱在固化冷却过程进行了数值仿真.算例表明,热-机耦合分析方法能较好地仿真固体火箭发动机药柱的温度场和应力应变场,对药柱的结构完整性分析提供了一种分析方法.     

地下工程中的流─固耦合问题的探讨

叙述了涉及媒岩体一流体相互作用的地下流－固耦合理论的进展概况和流－固耦合作用的基本概念以及存在的工程背景。主要讨论了地下工程中液＋固、气－固、气－液－固、热－固－流等耦合作用的机理、建模方法、如系模型、数值分析思路及方法及未来工程应用中主要存在的问题。研究结果表明,进一步发展地下流－固耦合理论对解决地下工程的一系列问题有着重要意义,多因素耦合分析是今后研究流－固耦合问题的关键。     

基于拉格朗日体系的典型桥梁断面风-雨耦合作用数值模拟

对典型桥梁断面风-雨耦合作用下的静三分力进行了CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟研究.对计算流体动力学软件进行二次开发,采用DPM(Discrete Phase Model)模型结合UDF(User Defined Function)函数施加源项的方法来研究风-雨耦合作用对桥梁断面静三分力系数的影响.将空气作为连续相通过欧拉法求解,采用基于拉格朗日体系的离散相模型对雨滴运动轨迹进行求解,引入离散随机游走模型来考虑旋涡对雨滴运动的影响,并通过冲量定理得到风-雨耦合下的雨滴对主梁断面的冲击载荷.通过与文献结果比较来验证方法的正确性,然后研究了风-雨耦合作用对典型桥梁断面三分力系数的影响,以及三维风-雨耦合作用对典型桥梁断面的作用机理,为研究桥梁风-雨耦合荷载提供了基础理论方法.     

液固互动作用下突水模拟分析

以开采过程中的煤矿突水为例，应用液固互动理论，采用有限元分析软件ADINA针对二种突水模式分别建立几何模型，进行数值模拟。在利用软件进行三维有限元建模时，分为结构模型和流体模型两种。针对不同的突水模式，探讨在流固耦合作用下的煤矿渗透突水过程中，地层与场地的变形特征。结果表明：对于断层突水模式中，接近45°的断层倾角对地层和场地的影响较大，因此在煤层开采中应该特别注意倾向于开采工作面的小倾角断层；在裂隙突水模式中，较大的渗透系数对突水速度和突水量影响显著，可以通过选择合适的开采区域尽量避免突水事故的发生。     

重型门桥水阻力的计算流体力学数值模拟

应用流固耦合理论及计算流体力学有限元法对重型门桥的水阻力问题进行了数值模拟,分析了不同的航速、不同的门桥类型以及不同的舟体排列方式对门桥运动的流场中速度、压强等流体参数分布的影响,得到了不同模式下舟体物面的压力曲线。对模拟结果进行了分析,并与相关的经验公式进行了比较。证明了数值模拟的准确性和可靠性。对重型舟桥的舟体线型、门桥的结构形式以及舟桥水动力性能的改善提供了一定的理论依据。     

流固耦合渗流模型在筒型基础沉贯中应用

根据筒型基础沉贯作用的特点，研究了适合筒型基础应用的渗流模型，并修正了物理参数动态模型．利用J2流动理论各向同性硬化原理，结合离散元方法，建立筒型基础土体本构关系．将本构关系引入到有效应力原理中，建立沉贯作用基本方程，改进沉贯阻力方程，根据质量守恒定律和流固耦合渗流运动方程来建立适合筒形基础沉贯作用特点的流固耦合渗流数学模型，并给出上述模型的定解条件．利用模型进行了实例计算，检验了模型的可用性和有效性．     

典型薄膜空间结构耦合动力学仿真分析

对典型薄膜空间结构运动过程进行动力学仿真,通过有限元仿真计算求解薄膜空间结构运动过程的动力学响应,分析结构展开过程的构型变化、应力分布情况;通过分析薄膜空间结构系统动能变化研究其运动过程及展开稳定性问题.利用非线性有限元软件SAMCEF Mecano对自碰撞、矩形展开和弹性气球充气扩展3种典型薄膜空间结构进行有限元建模,通过定义薄膜与薄膜的自接触、薄膜与柔性结构接触完成耦合状态下的数值仿真运算.仿真结果表明,运用SAMCEF Mecano可以实现薄膜空间结构典型运动方式的耦合动力学仿真分析;薄膜空间结构动力学特性受不同运动方式影响;薄膜结构展开速率越小其展开稳定性越好.