基于正交贴体网格的VTI介质地震波数值模拟

为了解决规则网格有限差分法在处理起伏地表自由边界条件时需进行复杂坐标转换和插值运算的问题,以及对起伏地表进行阶梯状离散近似所产生的虚假散射波问题,将计算流体力学中的正交贴体网格生成技术引入到起伏地表下VTI介质的网格剖分中,采用基于同位网格的DRP/opt MacCormack有限差分法模拟起伏地表下VTI介质中的地震波场。网格的正交性使实施自由边界条件时无需做复杂的坐标转换和插值运算。数值算例表明,本文提出的网格剖分法能够有效消除阶梯状网格产生的虚假散射波,从而提高起伏地表下VTI介质地震波数值模拟精度。     

起伏地表条件下有限差分地震波数值模拟 ——基于广义正交曲线坐标系

为了解决常规有限差分法在处理起伏地表自由边界条件时存在的需进行复杂坐标旋转和插值运算,以及对起伏地表进行阶梯状离散近似所产生的虚假绕射波等问题,把待求解的物理域离散成贴体正交曲线网格,将该网格映射到计算域的矩形规则网格上,在该计算域内求解一阶弹性波速度-应力方程及相应的自由边界条件,实现了广义正交曲线坐标系下的起伏地表地震波数值模拟问题.该算法简化了自由边界条件的实施,避免了因起伏地表阶梯化网格离散近似所产生的虚假波.数值模拟结果表明,该方法是可行的,可以用于起伏地表条件下地震波传播规律的研究.     

移动粒子半隐式法模拟入水冲击流固耦合问题

利用传统的基于网格信息的方法处理大变形自由表面、液面破损、弹性结构变形等问题时,网格会产生严重的扭曲变形,从而导致较大的计算误差甚至计算终止。移动粒子半隐式（MPS）法是一种无网格拉格朗日计算方法,摆脱了计算网格的约束,抛开了网格重构。在计算过程中不会发生网格变形过大或者网格畸变的问题,适用于处理流固耦合交界面等不连续问题.采用统一的MPS粒子将宏观流体和固体按一定的形式离散,解决统一坐标系的协调问题.在利用传统的网格数值方法计算流固耦合问题时,对流固耦合交界面的处理非常繁琐,而利用MPS法则不需要对流固耦合交界面做单独处理,简化了处理程序.运用MPS法对平底结构入水冲击问题进行流固耦合数值模拟。模拟和实验结果的对比表明MPS法可以很好地应用于冲击入水等不连续问题的数值计算.     

VTI介质交错网格FCT有限差分数值模拟

波动方程有限差分数值模拟是研究地震波在地下介质中的波场特征和传播机理的重要手段.对于常规有限差分技术,当采用大网格对计算空间进行差分离散时会出现严重的数值频散问题,降低了计算精度.通量校正(Flux- corrected transport method,FCT)技术能够有效压制粗网格情况下有限差分的数值频散.本文研究了具有垂直对称轴横向各向同性(Vertical Transverse Isotropy,VTI)介质的交错网格FCT有限差分技术.首先从一阶速度一应力弹性波方程出发,在交错网格空间中给出了该方程的高阶有限差分法格式及稳定性条件,在此基础上研究了波动方程正演过程中的数值频散FCT压制技术,二者结合实现了该方程的高精度有限差分数值模拟.同常规算法相比,本文算法不额外增加内存需求,少量增加计算量,但可有效压制VTI介质中弹性波动方程正演的数值频散现象.当采用大网格进行数值模拟时,本文方法明显提高了波场模拟精度.     

自由表面翻卷与破碎流动的SPH数值模拟

对SPH方法模拟复杂强非线性自由表面流动的计算精度进行对比研究.介绍了SPH方法的基本原理,给出SPH方法的求解控制方程.探讨了人工可压缩性、边界条件、时间步进、位置修正方法的处理方法.对强非线性自由表面流动的典型情况涌浪问题进行了数值模拟,包括了波面的抬升、翻卷、重入和破碎等不同阶段.通过与边界元方法的比较分析,明确SPH方法模拟强非线性自由表面问题的规律和特点.     

弹性介质中SH波传播的三角形格子法

目的提出一种不规则边界非均匀弹性介质中反平面剪切(SH)波传播数值模拟方法,研究反平面剪切波入射时地表起伏及软弱层对场地的影响.方法将实际介质计算区域剖分成三角形网格,构造出控制体,给出积分形式的控制体运动方程;交替运用控制体运动方程和SH波的本构方程,在时间域上递推计算给出被研究区域内各节点的加速度、速度、位移和各格子的应力.结果给出了弹性介质中SH波传播数值模拟三角形格子法.数值算例结果与解析解比较,验证了方法的计算精度和有效性.瞬态反平面剪切波入射时,地表起伏、软弱层会引起场地的运动状态量和应力量的放大,有运动状态量和最大剪应力集中现象.结论SH波传播数值模拟三角形格子法计算精度较高,处理不规则边界非均匀介质波动问题的适应性强,算法实现简单、计算量小.是研究大规模、不规则边界非均匀介质中SH波传播问题的一种有力工具,为岩土动力学中的波动研究提供了一种新的数值方法.     

三维谱差分格式非结构混合网格求解方法

高精度方法在多种网格单元上的推进是一个难点。提出了一种基于高精度谱差分格式(SD)的三维混合网格求解方法,用于求解三棱柱/四面体混合网格。通过一阶h-加密方法对混合网格进行加密,生成一套六面体网格,并保证网格在边界处的高阶精度。将设计于六面体单元上的SD格式应用于加密后的非结构网格。通过计算Euler Vortex流动以及Taylor-Couette流动,验证了求解器对于无黏和有黏流动的高精度特性;通过定常球体绕流数值模拟以及非定常三维圆柱绕流数值模拟,与现有文献结果进行对比,验证了方法的有效性。     

用扩展有限元法分析沥青路面表面裂纹二维扩展

本文将一种新型的求解不连续力学问题数值算法——扩展有限元法(XFEM)引入了沥青路面表面裂纹二维扩展分析。扩展有限元法基于单位分解法的思想,它所使用的网格与内部结构的几何或者物理界面无关,因此可以克服例如裂纹尖端等高应力和变形集中区域进行高密度网格剖分所带来的困难。对于裂纹分析问题,裂纹能够完全独立于有限元网格存在,模拟裂纹扩展时完全不需要进行网格重构。本文先对扩展有限元法的基本原理、相应的改进函数以及线弹性断裂力学的相关理论进行了简单介绍。然后利用沥青路面二维平面应变模型,通过数值算例验证了该方法在沥青路面表面裂纹扩展模拟中的适用性和优势,为扩展有限元法在沥青路面裂纹分析中的进一步应用打下了基础。     

非定常流场中机械胸鳍的水动力性能分析

针对刚性胸鳍建立了二自由度、三自由度的运动模型,通过对基于求解雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程的商用计算流体力学软件FLUENT的二次开发,采用动网格技术以及强大的后处理系统,计算了刚性胸鳍在粘性流场中的水动力性能.对于充分发展的湍流采用RNG k-ε模型,而对于近壁区流动采用壁面函数法进行处理.为克服数值模拟高雷诺数时的数值不稳定性,计算中采用了QUICK迎风格式.将数值计算结果与物理实验结果进行比较和分析得知,运用FLUENT软件求解该问题是切实可行的.     

吸收介质表面Brewster定律的数值解

讨论了吸收介质表面的Fresnel公式,对介质表面的Brewster定律进行了数值求解。总结了吸收介质表面发生Brewster反射时的规律,得到了三维数值解曲面图,使复杂的问题简单化、直观化。     

自由面流动模拟的MPS算法研究

船舶与深海工程结构在恶劣海浪中会发生砰击和上浪等强非线性自由面流动问题,有必要开发适合模拟非线性自由面流动问题的数值方法.基于网格法在处理一些网格发生大变形或数值不连续问题时还存在困难,采用一种无网格方法——移动粒子半隐式法模拟了溃坝问题,比较了不同固体边界条件、时间步长、时间步进模式、迭代方法、核函数以及粒子初始间距对计算结果的影响,并将数值结果与实验结果进行了比较,两者吻合较好.     

A Preliminary Study on 1D Numerical Experiment of Water Debris Flow in Gully

In order to improve and enhance the numerical modeling methods and its application on debris flow problems,a preliminary study has been proposed in accordance with the corrected water-sediment numerical model on the premise of revised resistance and sediment capacity equations.Firstly,an overview the recent re- search achievements on numerical simulation of debris flow has been conducted,the results shown that a gener- al numerical model for debris flow can not be existed at all because the complex rheological behavior and main evolution processes from initiation,movement to deposition with different physical mechanism.Secondly,as- suming the one-dimensional Saint-Venant equation for the approximation of water debris flow movement in the gully based on the Manning's equation for the friction slope of water debris flow,the conservation equations of mass and momentum have been solved by means of centre-difference in distance longitudinal axis of the gully and weighted coefficient in time field,the distribution of depth,velocity and scoured or deposition in each sec- tion have been obtained using a suitable sediment transport rate.The aim in this work is focus on improvement of water-sediment model to adapt debris flow numerical simulation although this result need further to analyze and discuss as far as the reliability and precision were concerned because this model proposed must have e- nough the field observational or experimental data to verify related model parameter.     

基于C++AMP的两相并行SPH 流动模拟

随着多相流技术在石油工业的地位的提高,对多相流动数值模拟的要求也随之提高。传统的基于网格的数值方法如FDM和FEM处理运动交界面位置时十分困难,近些年兴起的无网格方法则善于处理该类问题。SPH是无网格方法中一种较为成熟的方法,相比其他无网格数值方法,基于粒子构架的性质使得SPH法在追踪相间边界的移动变化上有天然优势。为提高程序效率和数据处理能力,对SPH两相流动模拟进行了并行化处理,并行手段为在GPU上使用C++AMP技术。GPU有利于计算流体动力学方法的并行化处理,与传统异构计算技术如CUDA和OpenCL相比,C++AMP在GPU上的并行处理无需预编译,更加简便。通过算例对串行和并行SPH两相流动模型进行了比较,结果表明,并行后的程序有显著的效率提升。     

Numerical study on turbulent two-phase flow in porous medium combustion chamber

To understand the working mechanism of the porous medium (PM) internal combustion engine, effects of a porous medium heat regenerator inserted into a combustion chamber on the turbulent flow characteristics and fuel-air mixture formation are studied by numerical simulation. The cylindrical chamber has a constant volume, in which a disk-shaped PM insert is fixed. A simplified model for the random structure of the PM is presented, in which the PM is represented by an assembly of a great number of randomly distributed solid units. To simulate flows in the PM a microscopic approach is employed, in which computations are performed on a pore-scale mesh and based on the standard k-ɛ turbulence model. A spray model, in which the effects of drop breakup, collision and coalescence are taken into account, is introduced to describe spray/wall interactions. Numerical computations are performed for the turbulent flows induced by a fuel spray outside and inside of the PM with different structure parameters. Calculation results show that the spray/PM interaction has substantial and positive influences on the fuel-air mixture formation and homogenization in the combustion chamber, which could be very advantageous in engine applications. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50476073)     

有限元网格划分技术研究

以有限元方法为代表的数值模拟可以形象地描述金属在成形过程中的流动行为,提供变形体模具在成形过程中各种物理学场量的分布及变化规律,从而为模具设计提供依据。较系统地论述了有限元中几种网格划分技术,分析了各种网种生成方法的优缺点,并展望有限元网格划分发展趋势。     

Debris flow prevention pattern in national parks Taking the world natural heritage Jiuzhaigou as an example

With the development of the ecological tourism, how to control debris flow innational parks becomes an urgent problem. The characteristics of prevention of thedebris flow in the areas are systematically studied, and a scientific strategy is introducedfor dealing with debris flows. In term of the activity attribute of the debris flow and objects protected in Jiuzhaigou, some methods are proposed to arrange the projects of hazardmitigation, and finally an approach is established to carry out the technology in the controlof the debris flow scientifically, reasonably and feasibly. Integrating the aforesaid strategy with methods, the pattern of prevention and countermeasures of the debris flow has beentheorized, in this way the mitigation hazards engineering is in harmony with the naturalview and combined with the ecology. The prevention pattern of the debris flow in nationalparks is divergent from those in other areas such as towns, traffic lines, and farmland.After the successful application of the pattern in the Jiuzhaigou National Park, iteffectively controls debris flows and achieves the expected target, such as conserving the landscape resource, sustaining ecological environment, and securing the visitors andresidents.     

动力波洗涤器的数值模拟研究

对动力波洗涤器进行了数值模拟研究,依据流体动力学原理建立气液固三相耦合模型：即质量、动量、能量和湍动能耗散输运方程,在构造脱硫装置的网格模型基础上,通过有限元数值计算方法,借助流体软件计算了脱硫反应器在不同的液体与气体流量时压力损失,将模拟值与实测值进行了对比,误差较低,表明本模型及其参数具有一定的准确性和可靠性。