两种动水压力模型重力坝地震动力损伤比较分析

采用基于位移格式的流体单元与弹塑性损伤本构的固体单元分析了坝体—水库耦合系统在强震下库水对重力坝的动力响应、坝体内部应力分布以及损伤的影响。对流固耦合模型与附加质量模型的坝体损伤分析结果进行比较发现,附加质量模型不仅对上游坝面的动水压力有放大作用,而且对坝体的其他动力响应,如位移、加速度,也有不同程度的放大作用。同时,附加质量模型对地震中坝体内部应力及损伤也有一定的放大作用。可见,流固耦合模型分析大坝—水库系统相互作用更接近现实情况。     

考虑可压缩库水作用混凝土拱坝的动力特性和地震反应分析

利用通用有限元软件ANSYS建立3种动力相互作用模型,研究考虑库水的可压缩和不可压缩效应对坝体地震反应的影响,不可压缩性效应采用Westergaard附加质量方法模拟,可压缩性效应通过流固耦合方法模拟,采用时程分析法得出库水对地震反应的影响.从分析结果可知,库水对拱坝的动力性能和抗震性能存在较大影响,不能忽略.     

基于ADINA流固耦合的进水塔自振特性分析

基于ADINA流固耦合方法,采用基于势的流体单元模拟进水塔内外水体,通过流固耦合界面反应进水塔和水体的相互作用,对结构的自振特性进行数值求解,并与水体按附加质量处理方式的结果对比。低水位下,附加质量法过于保守,周围水体不但显著影响进水塔自振频率,对振型也有较大影响。     

坝体-地基-库水系统的动力有限元分析及其应用

基于有限元耦合声-结构方法(The coupled acoustic-structural method,CAS),结合阻抗边界条件,流体采用ABAQUS声学介质模拟,建立了有限元-无限元耦合的坝体-地基-库水系统的数值模型。该方法可对库底吸收边界条件、库水表面重力波和库尾辐射边界条件进行模拟。作为工程实例对满库Konya重力坝进行了分析,同时建立了附加质量-无质量地基模型作为对比。结果表明,附加质量模型算得的坝面动水压力分布明显偏大;附加质量-无质量地基模型的计算结果夸大了坝体动力响应。此外,该耦合模型计算效率较高,可对坝体-地基-库水系统进行更真实的仿真模拟。     

深水空心矩形高墩地震动水附加质量计算方法研究

空心矩形桥墩是一种广泛使用的深水桥墩形式,而抗震设计规范给出的动水附加质量计算方法主要针对圆形实体桥墩,对于矩形桥墩的适用性、空心桥墩箱室内域水影响、深水下超高桥墩的实用可靠性等情况都不明确,现有文献也鲜有介绍。本文结合国道G317线红旗大桥项目,对深水桥梁结构抗震设计进行了专题研究,通过水下振动台模型试验得到模型数据信息,建立基于势流体单元的流固耦合数值模型和基于规范方法的附加质量模型,对比验证了地震动水附加质量方法的准确性并得出结论,这对我国深水多跨连续刚构桥梁的抗震研究具有重要意义。     

基于ANSYS的冷却水与混凝土对流换热模拟研究

在混凝土冷却水管温控计算中,实现热流耦合算法的关键是准确模拟混凝土与冷却水之间的对流换热,以往的计算都是通过将混凝土在水管处节点与同一位置的流体单元附加节点逐一耦合来实现的,即CP方法,该方法需要逐一耦合节点,在大规模数值模拟中较为麻烦。为此,首先分析了CP方法模拟的本质,即先通过耦合使混凝土节点与流体单元附加节点温度一致,同时利用流体单元主节点与附加节点之间具有对流换热这一特性来实现对流换热过程的模拟。基于此,提出了另外两种模拟冷却水与混凝土之间对流换热的方法,即CPINTF和NUMMRG方法。通过一实例的对比分析,验证了以上两种方法的准确性。通过进一步分析得出,NUMMRG方法为最优方法。     

基于扩展多面体单元的DEM-SPH耦合算法及应用

对于颗粒材料与流体介质的动力作用可分别通过离散元方法(Discrete Element Method, DEM)和光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)模拟颗粒和流体,并采用DEM-SPH算法计算两种介质间的耦合作用。当颗粒材料采用多面体单元进行模拟时,颗粒单元与流体之间会形成几何形状复杂的流固耦合界面,不宜采用计算效率较低的传统边界粒子方法。为此,该文基于Minkowski Sum方法构造扩展多面体单元,并通过Hertz接触模型计算单元间的接触力,进而建立基于扩展多面体单元的DEM方法;流体介质采用弱可压缩格式的SPH方法。将几何复杂的流固界面耦合作用近似为排斥力模型,从而只对SPH粒子与固体界面进行几何判断即可确定两者的相互作用力。该方法避免了对大量边界粒子进行的相关计算,具有计算简便且适用于复杂固体边界的优点。该文进一步采用基于GPU的并行算法从而实现DEM和SPH的高性能计算以提高DEM-SPH耦合的计算效率。采用以上方法对方柱绕流和溃坝冲击块体过程进行了数值计算,并与相关试验数值和计算结果进行了对比验证,一致性很好,进而说明了该文建立的DEM-SPH耦合方法对颗粒材料与流体介质相互作用数值模拟的合理性和准确性。     

淤沙在坝--库水--地基系统动力时程响应中的影响研究

采用Arbitrary—Largrangian—Eulerian有限单元方法模拟坝——库水--地基系统，库水作为粘性微可压缩流体、淤沙作为饱和液体-固体两相介质处理。首先针对淤沙厚度为零情形时动水压力值与Westergnard解进行对比，其次对物理实验模型进行数值模拟并进行结果对比验证，表明此方法有较好精度。最后以阿海重力坝为例，探讨了不同厚度淤沙对于坝面动水压力、坝体位移响应等的影响情况。     

河床式水电站流道水体附加质量 计算方法研究

分别用附加质量法和流体单元法对某水电站厂房结构进行有限元数值模拟,对模型进行模态 计算,以流体单元法得出的计算结果为依据,将进水塔附加质量公式不断修正后计算模态,直到两种 方法所得频率值相差不多且振型相同时为止。结果表明,水塔附加质量公式乘以0. 1 } 0. 2的修正系 数可适用于河床贯流式水电站的流道层。     

基于实测频响函数水下航行器附加质量识别方法研究

附加质量对水下航行器的结构设计有着重要的影响。针对水下航行器在流体中由于流固耦合所产生的附加质量问题，在用高等流体力学对附加质量进行描述的基础上，提出了根据实测频响函数来识别水下航行器附加质量的方法。该方法不但可以计算总的附加质量，而且可以计算其分布情况。仿真算例证明了该方法的正确性和可行性，结果表明该方法有效且有很高的精度，满足工程应用的需要。     

基于流固耦合的南水北调渠道结构动力破坏机理研究

以南水北调中线渠道工程为研究对象,建立了水体-结构-地基耦联体系的渠道模型,运用Fluid 30单元实现水工结构流固耦合计算,计算了地震工况下的渠道结构的破坏情况。计算结果与Westergaad传统方法进行对比,验证了Fluid 30单元方法的正确性。研究结果表明,Fluid 30单元耦合方法计算的结构频率均值较传统方法增加10.93%,渠道结构进行地震分析时,水体的流固耦合效应不容忽视;渠道衬砌板分缝处为最薄弱部位,且出现了应力集中,每个纵缝处下表面均出现了较大的拉应力;衬砌结构在地震中可视为做整体移动,衬砌上表面比下表面所受的压应力更大,而在接近分缝处这一情况恰好相反。     

基于流固耦合试验的k-n表达式探讨

k-n关系是岩土工程流固耦合分析计算中的一个关键表达式,常规的室内渗透试验由于没有考虑到渗流过程中的流固耦合效应,因而得到的k-n关系与实际情况有偏差。为得到更精确的k-n关系,采用自主研发的SRS-1型渗流和蠕变耦合试验仪开展了各种不同固结压力下的三轴流固耦合试验,获得了渗流过程中土样孔隙率随时间的变化曲线,拟合得到了考虑流固耦合与不考虑流固耦合的k-n表达式,并对考虑流固耦合、不考虑流固耦合及Kozeny-Caman经验公式给出的3种k-n表达式进行了对比分析。将3种表达式分别用于考虑流固耦合效应的一维饱和地基固结的数值模拟,将计算结果与非流固耦合方法计算结果进行比较。结果表明:渗流过程中土的孔隙率是动态变化的,为得到更精确的k-n关系,应考虑渗流过程中的流固耦合效应;工程中的土体固结问题实际是一个流固耦合问题,不能按非流固耦合方法计算,否则产生的误差非常大;当前流固耦合数值模拟中被广泛使用的Kozeny-Caman经验公式不能很好地反映黏土k-n的关系,在数值计算中造成的误差非常大,因此不建议使用;为了提高数值模拟结果的准确性,建议采用考虑流固耦合效应的k-n表达式。     

考虑槽身与槽内水体流固耦合的渡槽地震反应计算

基于考虑槽身与槽内水体流固耦合的渡槽薄壁梁段单元的动力分析模型,计算了南水北调中线工程某渡槽结构的地震反应.计算结果表明,随着水位的上升,渡槽结构地震反应增大;考虑槽身与槽内水体流固耦合时,渡槽结构的横向地震反应、伸缩缝相对折角小于不考虑流固耦合的情况,而槽身横截面绕轴线转角却大于不考虑流固耦合的情况,说明槽身与水体的相互耦合对渡槽结构地震反应影响显著.因此,在对渡槽结构进行地震反应计算时,应采用能考虑相应水位的渡槽流固耦合动力分析模型,并计算渡槽在不同地震波激振下的地震反应才能综合反映渡槽结构在地震作用下的实际情况.     

三维流体固体动力耦合模型研究

流体固体动力耦合是众多工程领域的重要问题。由于流体与固体动力特性的巨大差异,二者的耦合研究异常困难,尤其是三维领域的研究更加复杂。本文分析了三维流体、固体接触界面上的运动状态,提出并采用流体固体接触界面的无限点对模式,模拟流体固体的动力相互作用。并利用广义变分原理结合Lagrangian乘子法,引入流体固体接触面约束条件,建立了三维不可压缩流体与固体动力耦合统一分析的理论模型,继而推导了耦合后的动力有限元求解方程,首次将流体与固体动力耦合内力作为未知量求解,使耦合后的流体与固体域的瞬态动力响应从同一方程中解出。经典算例较高的计算精度表明了这种耦合模型的正确性。液体储存箱的地震反应结果表明,固体变形的动力效应是显著的,应引起工程设计的注意。     

管线渗漏引发地面塌陷的DEM-CFD耦合数值模拟

基于流固双向耦合原理,在离散元软件PFC3D基础上使用DEM(离散元)与CFD(计算流体动力学)耦合模块,考虑流体高速渗流时的流体压力梯度力对流固耦合过程的影响,建立了土颗粒与流体双向耦合作用下的细观数值模拟力学模型,针对渗流发生和发展过程中土体力学性能和水力性质进行了研究,从而定性地揭示了地表塌陷过程的演化规律与灾变机理。结果表明,流体高速渗流时,流体压力梯度力数值大于拖曳力,且土颗粒半径越大,流体压力梯度力越大;地表塌陷过程中土体塌陷模式呈圆锥形变化。     

考虑流固耦合作用的水力式升船机塔柱结构抗风分析研究

基于ADINA有限元分析软件,建立了一种考虑流固耦合作用的高耸升船机塔柱结构抗风分析方法,结合景洪水电站水力式升船机塔柱结构工程实例,分析了升船机塔柱结构的风致响应,求得升船机塔柱结构风载体型系数并对其影响因素进行研究。计算结果与规范进行对比,符合规范设计要求,计算结果显示:(1)数值风洞技术得到的升船机塔柱结构风载体型系数大于规范结果;(2)流固耦合作用对高耸塔柱结构影响显著;(3)浮筒和局部地形的影响在设计中应予以考虑。     

海洋隔水管涡激振动的三维数值模拟研究

流体场采用k-ω湍流模型进行三维CFD数值模拟,固体场采用基于三维实体单元的有限元方法进行模拟,通过一种新的方法实现流-固耦合交界面的无缝数据交换,参考Lehn(2003)长径比为482的模型实验完成隔水管流向与横向涡激振动的三维数值模拟。模拟结果与实验结果吻合良好,都反映了多阶振动模态特性。引入激发速度解释了多阶振动模态的现象。进一步分析表明,大长径比柔性隔水管发生涡激振动时流场尾流区涡的脱落呈现多种涡结构模式,尾涡动力特性在不同截面的变化体现出明显的三维特征。同时隔水管振动时出现非对称弯曲大变形现象,运动轨迹呈现变形的8字形。研究同时表明,顺流向的振动响应不可忽略。     

裂隙水流与混凝土开裂相互作用的耦合模型

利用扩展有限元法对裂隙水压作用下混凝土结构的开裂过程进行了模拟,裂纹中的流体运动在立方定理的基础上求解,混凝土开裂力学行为采用了黏聚裂纹模型来描述,采用松散型的耦合方式考虑裂隙水流和开裂结构间的相互作用。推导了在基于虚节点法的扩展有限元法框架下的耦合模型控制方程,通过双层迭代结构进行总体方程求解,对混凝土试件在裂纹水压作用下的开裂过程进行了数值模拟。不同加载速率条件下的计算结果反映的裂纹水压变化规律均与试验相近,结果也说明了扩展有限元法是处理连续-非连续问题的一种有效方法。     

流体－固体介质中瑞利波特性

本文应用解析法和有限单元法研究了流体－固体介质中平面瑞利波波速度弥散性及位移分布规律．利用有限单元法推导了液体介质中平面瑞利汉传播的单元刚度矩阵和质量矩阵，以及利用解析法获得了半无限层提供的边界力．结合文献（１）给出的固体介质中有限单元刚度矩阵和质量矩阵，本文得到了流体－固体介质中瑞利弥散特征方程和位移计算公式．