基于有限点法的自由面流动的数值模拟

为了准确模拟复杂变形的自由面流动,应用空间粒子法中的有限点法(FPM),即利用移动最小二乘(MLS)法近似流场函数,采用投影法分步求解压力泊松方程,迭代更新流场各粒子的物理信息,数值模拟大变形下的自由面流动问题.数值模拟结果表明:采用有限点法可以较准确地模拟出自由面流动过程中的复杂变形,如迸溅、翻滚、破碎以及入水等现象,与试验结果吻合较好.验证了采用的有限点法对于处理大变形自由面流动问题具有较高的可靠性及较好的灵活性.     

渗流计算中的三维非结构化网格下的自由面适应网格方法

在2维正交网格系统下自由面适应网格方法的基础上,提出了3维非结构化网格下的自由面适应网格方法.该方法在迭代求解渗流自由面时,无需改动网格,而是用映射的方法去让自由面适应既定网格系统,也不需要对出逸边界进行特殊处理,其方法简单,易于程序实现;通过将数值计算结果与甘油试验及室内砂槽模拟结果相对比,表明了该方法在3维非结构化网格系统中捕捉浸润面的精度较高,拓宽了自由面适应网格方法在3维带自由面渗流问题中的应用范围.     

粒子网格混合方法模拟液滴夹带起始点

环状流动的特性对反应堆事故工况分析具有重要意义,本研究基于粒子网格混合方法对这一现象中的液滴夹带起始点问题进行了数值分析,利用网格求解流场,利用粒子模拟液膜及液滴的运动,探讨了气水流动大密度比情况下,不同流动方向,不同流体粘度,不同液膜厚度下的液滴夹带所需的临界气相流速,结果同经典关系式进行了对比,吻合良好．这一方法对于反应堆事故中的两相流动研究具有参考意义．     

二维非线性辐射问题数值模拟

基于势流理论模拟了二维剖面辐射问题,应用边界元法求解二维剖面速度势,在自由面与物面交点等拐点处采用双点技术,应用四阶龙阁-库塔法处理完全非线性自由面条件,应用数值阻尼处理远方辐射条件,应用平滑技术处理自由面条件以消除锯齿不稳定性,应用三次样条逼近对自由面网格进行重新划分,引入辅助函数以精确求解物面压强,计算了二维剖面水动力以及自由面形状,计算了附加质量和阻尼系数等水动力系数,并与其他理论计算结果做比较。比较表明,该文计算结果与其他理论计算结果吻合良好。     

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。     

单体与三体高速船舶粘性流场数值模拟

为了检验CFD在船舶粘性流场计算中的有效性,基于RANSE方法,对单体船型DTMB 5415和三体船FA1粘性流场进行了数值模拟.自由面处理采用VOF方法,湍流模型选用SSTk-ω模型,计算结果与试验数据进行了比较,在傅汝德数不是很高时吻合较好.计算结果表明,CFD可以用来研究复杂船型流动问题,对于阻力、伴流等重要的水动力参数,CFD能够给出与试验相一致的结果;同时VOF方法可以比较好地捕捉船舶自由面波形,对于三体船,计算结果能够清晰地反映出主体和侧体之间强烈的兴波干扰现象,可以为船型优化提供重要的参考.     

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.     

基于SPH方法的二维水下爆炸冲击载荷计算

水下爆炸包含了一系列复杂的物理过程,这些复杂的物理现象对数值计算提出了很高的要求.介绍了无网格光滑粒子流体动力学(SPH)方法在水下爆炸模拟中的应用,计算了TNT在近似无限水域中爆炸和沉底装药下爆炸产生的冲击波强度,分析了水下爆炸流场参量分布和变化规律,为水下非接触爆炸数值模拟提供参考.     

水平管气力输送数值模拟

本文采用粒子追踪理论对水平管中粒子流动状态进行了数值模拟.文中提出了一种新的粒子碰撞模型,并忽略粒子的旋转和扬力,仅考虑气流阻力和重力对粒子的影响,在输送量为9.13×10~3kg/s,混合比约0.3的条件下,通过数值计算得知:由于粒子间的碰撞,使得异径粒子的速度趋向平均化;粒子间的碰撞是粒子悬浮的原因之一;粒子的浓度沿管轴向是随时间而发生变化的.     

常数分布Rankine源法与二阶绕射问题精度研究

为了准确地预报作用在浮体上的非线性水动力,采用时域二阶理论对非线性波物相互作用问题进行了研究.对自由面条件和物面条件进行Taylor级数展开和Stokes摄动展开得到一阶和二阶边值问题.使用基于Rankine源的边界元法计算每一时刻的流场,并在自由面上采用积分格式的自由面条件(IFBC);在远方控制面上采用多次透射边界条件(MTF).以圆球绕流和直立圆柱桩的二阶绕射问题为例,研究了所述方法的数值精度,经过对数值结果的比较与分析,得出了该方法精度较低的原因,并且得到MTF和IFBC可以有效地用于时域二阶问题的数值模拟,在远方人工边界上达到无反射的效果.     

泥石流数值模拟方法研究进展

泥石流作为一种多相混合介质,所包含的物理过程和动力学特征非常复杂。针对泥石流问题的数值模拟方法随着数值计算方法和物理计算模型的发展而发展,基于物理过程的数值模拟方法为探究泥石流复杂物理现象背后的机理提供了一种有效手段。回顾了求解泥石流动力问题的数值模拟方法,从连续介质计算方法、离散介质计算方法和混合介质计算方法3个方面分析了不同数值模拟方法的特点和适用情况,介绍了在泥石流分析中常用的数值模拟软件及其特点,展望了求解泥石流动力学问题的数值模拟方法的发展趋势。结果表明:传统的基于网格的计算方法已有长足发展和较长的应用历史,相对比较成熟,但是在处理大变形、快速运移的自由表面流问题时,存在网格容易畸变等问题;基于粒子的计算方法在处理上述问题时无需网格的划分和维护,易于确定自由表面位置和多相间的界面,但存在边界条件处理困难等问题;混合介质计算方法在较小尺度范围内对固体颗粒物质与液相相互作用机理进行探讨时具有重要作用。     

微反应器计算流体力学与离散元建模及调控

为了提高微反应器内部流场均匀性,抑制固相颗粒团聚,提出超声波耦合流场强化调控方法. 基于计算流体力学与离散元耦合（CFD-DEM）方法,建立微反应器流体动力学模型,得到微反应器流道的多相流场分布与颗粒运动规律. 对可实现k-ε湍流模型源项进行修正,得到微型反应器在超声波激振作用下的颗粒碰撞冲击效应与内部流场非线性分布特征. 结合分形方法,对流道中的颗粒群混沌态分布进行定量分析. 以T形汇流反应器为例,开展数值仿真研究. 结果表明,超声波耦合流场强化可以提高反应器内的流场分布均匀性,对离散颗粒团聚进行有效的抑制.     

应用VOF方法的水平圆柱入水数值模拟

为了研究水平圆柱砰击入水问题,建立了数值水池,应用VOF结合动网格技术的方法对零浮力水平圆柱入水过程的气液两相流动和刚体运动耦合的问题进行了数值模拟.捕捉了圆柱入水过程中射流的形成、运动和空气垫效应等自由表面的变化现象,模拟了圆柱竖直运动过程;讨论了湍流粘性对圆柱入水的影响.结果表明:圆柱入水的数值模拟结果和实验数据符...     

轴对称容器内流体流动与传热的质点导数法计算

对轴对称容器内流体流动与传热问题,采用人工瞬变质点导数法,在不等距非正交曲线网格中进行数值计算．此方法具有简单、明晰的特点,能在较少网格数情况下获得较高的精度．     

粒子群算法在求解天然河道水面线中的应用

在天然河道水面曲线计算中,传统的试算法、迭代法和图解法等,计算过程中存在误差的累积问题。为此,可将天然河道水面曲线计算问题转化为求解全河段总的计算误差最小化问题;从而提出了用粒子群算法来处理这一仅给出隐含表达式的复杂非线性优化问题。实例计算的结果表明粒子群算法是可行的、通用的和简便的,可以有效控制全河段总的计算误差。     

非定常不稳定气固两相流动的离散涡数值仿真Ⅰ.模型方程与数值方法

构建起旋涡框架下的气固两相流动数学模型与数值计算方法 :应用离散涡方法 (DVM)计算具有剧烈分离的非定常不稳定气流场 ,采用Lagrange方法模拟颗粒在流场中的运动 ;气流场的求解和颗粒运动求解 ,两者在时间上相互耦合 ,从而充分计及了不稳定流动对颗粒运动的影响     

自由表面流动的三维SPH数值仿真研究

使用三维光滑粒子动力学(SPH)方法研究了自由表面流动问题,使用自编的三维SPH程序完成了溃坝算例。三维SPH模拟结果与两维SPH结果及实验结果保持一致,验证了三维SPH方法的可行性.数值仿真结果表明,在三维溃坝过程中,流体的形状、位置、速度等主要物理现象可以很好地进行模拟.通过合理地设置输入条件、边界条件及状态方程等仿真控制参数,提出的三维SPH方法可以很容易地进行扩展,可以处理许多其它的三维流体仿真问题.     

Two-phase smooth particle hydrodynamics modeling of air-water interface in aerated flows

The large deformations associated with air and water interactions are critical factors that affect the hydrodynamic characteristics of hydraulic structures. As a type of Lagrange meshless particle method, smoothed particle hydrodynamics (SPH) has been shown to have many advantages when modeling the interface flow and tracing the free surface because the particles inherit the velocity, mass, and density properties. Significant theoretical and numerical studies have been performed recently in this area. In the present study, a two-phase SPH framework was developed based on these previous studies and we explored its capacity to capture the main features of large density ratio aerated flows. The cohesive pressure was included only in the momentum equation of the air phase for additional amendments to ensure the stability and accuracy of the two-phase SPH model. Three case studies were performed to test the performance of the two-phase SPH model. A convergence study demonstrated the need to balance the CPU time consumption and the real-time requirements. A dam-break simulation based on pressure variation in the air pocket showed the superior analytical performance of the two-phase model compared with the single-phase model. The results of a hydraulic jump simulation were compared with the theoretical results in order to understand the collision between the solid and liquid using the SPH method more clearly. Thus, the consistency between the simulation and the theoretical and experimental results demonstrated the feasibility and stability of the two-phase SPH framework.     

爆炸荷载的数值模拟及近爆作用钢筋混凝土板的动力响应

采用AUTODYN软件对自由空气中爆炸荷载进行了数值模拟,分析了空气网格尺寸和求解算法对爆炸荷载模拟结果的影响,并与经验预测和TM5-1000值进行了比较分析.研究结果表明,空气单元网格尺寸对爆炸冲击波峰值超压有着显著的影响,对冲量也有一定的影响;Euler-FCT算法较Euler-G算法提高了爆炸荷载的模拟精度,通过增加装药量,可以得到与实际值较吻合的模拟结果.同时采用流固耦合数值模拟方法进行了近爆作用下钢筋混凝土板的动力响应分析,较合理地展现了钢筋混凝土板从混凝土开裂、碎片形成、部分钢筋屈服到板局部震塌破坏的动态演变过程.     

渗流计算中求解浸润线的自由面适应网格方法

渗流计算中的浸润线计算属于自由面求解问题,传统的求解自由面方法,多为改变网格去适应自由面在迭代过程中的变化。提出了自由面适应网格方法,该方法与传统方法相反,即在迭代求解过程中不改变网格而是让浸润线不断地去适应网格,采用网格映射的方法去确定浸润线,直至最后达到允许精度,得到要求的浸润线分布。结果表明,该方法具有计算简单,编程方便,精度较高等优点。采用本方法时,如果采用加密网格或者高阶映射的方法则可以进一步提高求解精度。