基于k-ε模型的剪切流中湍流动能衰减规律研究

分别从理论推导和数值模拟的角度,分析了剪切流中湍流动能的衰减规律.通过简化湍流变量输运方程,采用Matlab求解了使用标准k-ε模型计算剪切流时湍动能在不同高度处的数值解,通过fluent数值模拟,验证了理论数值解,并与均匀流中的数值模拟结果进行对比,分析了在剪切流中入口湍流强度和湍流黏性比、来流速度梯度和输运方程扩散项等对湍流变量衰减的影响规律.结果表明:剪切流中存在湍流动能衰减;入口湍流强度对湍流变量输运方程生成项的影响较大,湍流黏性比对湍流变量输运方程生成项的影响较小;当入口湍流强度相同时,入口湍流黏性比越大,湍动能衰减的越快,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越小;当入口湍流黏性比相同时,入口湍流强度越大,湍动能衰减的越慢,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越大.     

一种对船桨干扰问题的黏势流耦合求解方法

基于黏性流计算流体力学(CFD)及势流理论,建立了一种黏流雷诺平均方程/面元法耦合迭代求解方法,对船桨相互作用问题进行了数值模拟.自由面的船体绕流场模拟应用CFD黏流方法,螺旋桨水动力载荷计算采用势流面元法.在黏性流场模拟中得到桨盘面处的总速度分布,减去螺旋桨诱导速度得到实效伴流速度并作为势流计算速度进口条件,螺旋桨效应以体积力的形式在黏性流场中体现.计算值与试验值的对比结果表明,黏势流耦合迭代求解方法能较好地预报船桨干扰问题,且较全域船桨离散化网格CFD求解船桨干扰的方法,计算量大为减少.该方法充分融合了黏势流方法的优点,既能计及黏性效应又能发挥势流快速准确的优势,能够拓展应用于船体及螺旋桨性能预报及设计优化的研究.     

自由剪切流的参数共振理论

提出了包含有平均修正的参数共振理论，并研究了自由剪切流的二次稳定性问题，数值结果证明，三维亚谐波的人振对横向波数有很强选择性，而基频共振模式在很大的波数范围内显示出不稳定性，平均流的修正对亚谐共振有显著影响，对后者则影响很小     

自适应四叉树网格下的N-S方程数值求解模型

提出了一种自适应四叉树网格下的N-S方程数值求解模型.网格能够根据涡度值大小进行自动加密或合并,以达到在不显著增加计算量的前提下,提高重点区域分辨率的目的.模型中采用了无条件稳定的MacCormack格式计算对流项,采用修正的中心差分格式离散压力泊松方程,并提出了在树型网格下黏性项的变通离散格式.通过算例证明,利用新模型所得到的压力泊松方程的数值解具有二阶精度,速度解的精度超过一阶.计算得到的方腔流中轴线上速度分布与Ghia计算结果一致,圆柱绕流中拖曳力系数和升力系数与实测结果一致.方腔流算例还表明,在相同分辨率情况下采用自适应网格计算时间可减少近一半.     

船舶CFD结构化网格自动生成技术的开发

为提高船舶黏性流场计算流体动力学(CFD)数值计算的效率,开发了带自由面三维船舶黏性流场CFD计算用网格自动生成软件.该软件可实现三维船体曲面模型导入、计算区域划分、结构化网格生成及边界条件设置等操作的自动化完成和参数化控制.以某集装箱船模校验程序,并在阻力性能和自由表面波高分布等多方面将数值计算结果与试验结果作对比.结果表明,该软件所生成网格在保证船舶阻力性能预报足够精确的同时,生成效率得到极大提高.     

剪切变稀自由表面流动问题的不可压SPH模拟

为解决传统弱可压光滑粒子动力学(SPH)方法中,密度的微小变化能引起压力的非物理振荡,发展了一种新的不可压SPH方法,并将其推广到剪切变稀自由表面流动问题的数值模拟中。该方法采用压力Poisson方程求解流体压力,流体控制方程则通过分数步长法进行求解。首先,利用不可压SPH方法模拟了牛顿液滴在水平固壁上的铺展现象,并通过与文献结果的比较,验证了不可压SPH方法模拟自由表面流的有效性;随后,对牛顿液滴和剪切变稀液滴在倾斜固壁上的铺展现象进行了不可压SPH模拟,并讨论了两种液滴铺展现象的不同流动特征。数值结果表明,不可压SPH方法不仅能够有效克服弱可压SPH方法所产生的压力振荡问题,并且能够成功推广到剪切变稀自由表面流的数值模拟中。     

考虑横向剪切效应的竹材层合板弯曲变形

用层梁经典理论,一阶剪切变形理论以及有限单元法分别计算了竹材层合板梁的弯曲变形,为验证理论分析与数值计算结果是否合理,对实际结构变形进行了测定。结果显示,竹材层合板梁在跨高比较小时具有十分显的的横向剪切交 ,一阶剪切变形理论与有限单元法均能足够精确地反映含有剪切效应的梁的弯曲变形,横向剪切效应很小时,经典理论的解与实际情况的符合程序优于一阶剪切变形理论。     

风波水气界面湍流涡旋结构研究

采用有限体积方法和自由界面捕捉格式,发展了基于单流体模型的水气两相流数值仿真模型.所用的对流格式具有良好的数值黏性,不仅能够有效地保证在密度不连续和具有奇异源项条件下的计算稳定性,还可隐式地模拟亚网格尺度湍流的黏性效应.作为该领域的探索性研究,我们模拟了风驱动水面波(风波)的发生和发展过程,研究了水气两相流空气侧涡旋运动的发展演变规律.揭示了自由界面附近空气侧涡旋的主要结构特点,涡旋结构与雷诺应力的相互关系,以及两相流中流向涡输运过程的主要特征,并与单相槽道平壁湍流进行了对比分析.     

一种自适应RKPM方法在动态大变形计算中的验证及应用

从无网格方法中的插值误差出发,建立一种有效的误差估计模型,在高误差区运用基于全四边形背景积分网格顶点插值的节点加密方案,得到新点的位置坐标.将这些算法应用于无网格再生核质点方法RKPM中,对多孔弹塑性板材拉伸中的剪切带的形成进行了自适应无网格分析,并通过验证数值解精度的通用标准试验(benchmark test)方法验证了该算法的精度及可行性,计算结果表明该算法能大大提高计算精度,并能准确地捕捉到剪切带的分布.     

剪切变形对厚壁圆形贮液池的影响

将池壁厚度较大的圆形贮液池当作中厚壳圆筒,考虑剪切变形的影响,建立贮液池结构分析的中厚壳理论,其微分方程与Winkler地基上Timoshenko梁的微分方程一致,当贮液池池壁剪切刚度取无穷大时,其可退化成相应薄壳理论,是一个通用模型.利用初参数法,推导微分方程的解和有限元列式,分析底部固结、顶部自由圆形贮液池在三角形分布荷载和池顶弯矩作用下,其环向力系数、弯矩系数随池壁厚度、高度的变化,并与不考虑剪切变形影响的计算结果进行比较.数值计算结果表明:在圆形贮液池中考虑剪切变形影响的挠度等计算结果偏小;壁厚越大,计算结果越小;剪切变形对环向力和径向位移的影响比对弯矩和剪力的影响大,其影响程度与贮液池结构、边界条件及作用荷载形式有关.     

复合材料夹芯板弯曲分析的双变量精确板理论

针对全复合材料正交格栅/梯形波纹夹芯板的弯曲刚度问题,提出一种基于双变量精确板理论的分析模型.采用均质化理论将两种芯子均等效为正交各向异性连续体,基于双变量高阶剪切变形理论的位移场和最小势能原理推导了夹芯板弯曲平衡微分方程.利用四边简支、对边简支和自由两种边界条件下的弯曲挠度和剪切挠度双变量的求解结果计算了夹芯板整体刚...     

局部高剪切区中小尺度扰动的混沌行为

研究空间局部高剪切区中小尺度扰动随机的物理机制。方法对小尺度运动四波相互作用模型进行数据分析。结果在速度剪切增大到一定程度时,将会出现小尺度扰动的混沌行为,它导致局部高剪切区中湍斑的产生。     

钢-超薄UHPC组合桥面板界面抗剪性能研究

针对正交异性钢板-超薄超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,UHPC)(厚度为35mmUHPC板+20mm磨耗层)组合桥面板中,UHPC层过薄而无法采用常规抗剪连接件形式的问题,提出一种新型钢筋网局部焊接抗剪连接件.通过推出试验测得了焊接抗剪件的荷载-滑移关系曲线和抗剪承载力,以某长江大桥为背景,对焊接抗剪件的布置方式进行了研究.试验结果表明:焊接抗剪件的推出试验破坏过程属于脆性破坏,破坏前界面相对滑移较小,焊缝长度为50mm的焊接抗剪件极限抗剪承载力为119kN.与栓钉相比,相同荷载比值下采用焊接抗剪件的界面相对滑移小,焊接抗剪件的抗剪刚度大于栓钉.计算结果表明:钢-超薄UHPC组合桥面板在布置抗剪件时,需关注UHPC层底部受力.加大抗剪连接件布置密度可减小UHPC层底部横、纵桥向拉应力,降幅可达36.3%.     

双向压缩反对称铺层剪切板的屈曲与后屈曲

基于Ｒｅｉｓｎｅｒ剪切板理论和Ｋａｒｍａｎ型板的精化理论,导出了反对称斜交铺层剪切矩形板的广义Ｋａｒｍａｎ大挠度方程,并运用位移型摄动技术,构造出双向压缩四边简支矩形板的后屈曲渐近级数解．文中给出了典型算例,并与忽略横向剪切的薄板理论解作了比较和讨论．分析结果表明,横向剪切效应对双向压缩铺层板的屈曲和后屈曲的影响是明显的．     

基于自适应笛卡尔网格的可压缩粘性流动数值模拟

基于自适应笛卡尔网格方法求解Navier-Stokes方程,网格以四叉树数据结构存储,固壁边界条件通过一种虚拟单元体方法引入。在几何外形确定的前提下自动完成网格生成、加密和流场的求解任务。对含有激波的NACA0012翼型的超音速绕流工况和含有回流区的双NACA0012翼型亚音速绕流工况进行了数值模拟,并与现有的非等距笛卡尔网格解和非结构网格解进行了对比。结果表明：基于自适应笛卡尔网格能够准确模拟可压缩粘性流动,同非等距笛卡尔网格相比,自适应技术的使用显著降低了网格量,但是同非结构网格相比,现有的自适应笛卡尔网格技术在边界层的分辨上效率较低,有待进一步发展。     

基于路基基层剪切波速试验的弯曲元优化设计

为了解决高速公路路基基层剪切模量长期监测的技术难题,利用压电陶瓷材料弯曲元,设计适用于香丽高速公路路基基层水平方向上剪切波激发与接收装置。选用级配符合高速公路G-A-4级配的砂砾石土进行一系列试验,以优化弯曲元传感器的钢框架尺寸和网盖设计。研究结果表明:(1) 钢框架宽度对接收信号幅值或压力波传播无显著影响,考虑框架刚度的影响,钢框架宽度设计为0.3 m。 (2) 钢框架长度对接收信号幅值有显著影响,钢框架长度的最优设计为1.2 m。 (3) 比较六种网盖材料,因不锈钢具有良好的耐久性,并对接收信号幅值的影响相对较小,选用不锈钢网作为网盖材料。(4) 砂砾石土具有压硬性,提升土层围压,土层剪切模量随之增加,试验中弯曲元表现出剪切波速的增大, 表明弯曲元适用于砂砾石土层剪切模量的量化。研究成果为定量刻画路基基层刚度提供新的手段。     

紊流边界层混凝作用探讨

通过对粘性流体紊流边界层的结构分析,得到混凝反应中关键性的控制因素,速度梯度和紊流切应力.讨论了这两个主要因素的变化规律,据此设计了更加理想的反应器结构,希望在混凝过程中能够对微粒的碰撞与聚合成长起到更好的作用.从根源上解释了紊流流场中速度梯度和旋涡的产生,试图把最近发展的涡旋混凝理论与传统的混凝理论进行统一.     

Large Scale Finite Element Modeling,Simulation and Visualization for Wind Flows in Urban Area Using Virtual Reality

A large-scale finite element modeling, simulation and visualization for wind flows are presented. The modeling method using GIS/CAD data is employed. The stabilized parallel finite element method based on SUPG/PSPG method is employed for the analysis of wind flows. The present method is applied to the simulation of wind flow and contaminant spread in urban area. The visualization based on virtual reality is employed to evaluate the mesh quality and computational results. The computed results are qualitatively in agreement with the experimental results and actual phenomena. The present method is shown to be a useful tool to simulate the wind flows in urban area.     

用无网格法求解不同Re下圆柱绕流问题

采用无网格伽辽金法对不同Re下二维不可压粘性流场圆柱绕流问题进行了数值模拟。该计算不仅预测了不同条件下的流动特性,而且预测了流体作用在圆柱上的曳力和升力。这些力通过积分圆柱表面的压力和粘性力获得。结果显示,当Re大于80时,圆柱所受曳力和升力开始振荡。计算所得的脱落频率(Sr)与前人的结果吻合良好。     

非对称喷嘴喷雾模拟网格适用性研究

离散油滴模型(DDM)和拉格朗日油滴-欧拉气体(LDEF)算法的喷雾数值模拟对网格具有很强的依赖性.对某非对称三喷孔喷嘴的喷雾过程进行了网格参数适用性研究,分析了网格依赖性的来源,探讨了网格形式以及径向、轴向、周向网格尺寸变化对喷雾的影响,与实验数据对比了喷雾形态和贯穿距离,并研究了对索特直径的影响.分析了不同网格长宽比的影响.结果表明,非对称三喷孔喷嘴的喷雾数值仿真中,极坐标类型的网格具有更好的适用性.随着网格尺寸减小,贯穿距离和索特直径基本都呈现增大的趋势,但径向尺寸对贯穿距离的影响稍大于轴向尺寸.网格尺寸和长宽比存在一个最优值使得模拟的贯穿距离与实验值拟合得最好.