基于SPH方法的自由表面流动模拟

分析了光滑粒子流体动力学(SPH——Smoothed particle hydrodynamics)方法的理论基础及边界条件的处理,并给出了该方法自由表面运动的算例,与商业CFD(Com-putational Fluid Dynamics)软件的VOF(Volume of Fluid)模型的计算结果进行了比较。结果表明,SPH方法模拟复杂自由表面流动具有较好的效果。     

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.     

基于SPH方法对多晶硅裂纹扩展的数值模拟

应用非动力学软件Autodyn-2D对多晶硅受冲击载荷作用而损伤开裂的连续介质离散化过程进行了研究。采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法,分别模拟了不同宽度的钨合金锤在不同的位置以不同的冲击速度对多晶硅靶板的冲击过程,分析了不同冲击载荷下的裂纹产生与扩展方式,得出了锤头冲击速度、冲击面宽度、冲击位置对多晶硅裂纹与碎片粒度的影响结果。综合仿真结果表明,当锤头冲击速度小于25 m/s时,多晶硅的起裂点随着冲击速度的增大向中轴线靠近;当冲击速度大于25 m/s时,主裂纹扩展长度不再增加,但分叉裂纹密度增大;当冲击速度大于40 m/s时,裂纹扩展基本不变;当锤头宽度为20 mm,冲击速度为40 m/s,采用击打多晶硅中心位置的打击方式,能有效将多晶硅的破碎尺寸控制在5～90 mm之间,大大减少了多晶硅浪费。     

SPH耦合有限元方法的水射流弹塑性碰撞模拟

针对有限元分析（FEA）处理流固耦合及超大变形问题时所存在的困难,提出了光滑粒子流体动力学（SPH）耦合有限元的方法来模拟水射流与刚性表面和塑性表面的碰撞过程.在SPH计算中,采用计算几何中的Voronoi图给每个SPH粒子赋予质量,并采用可变光滑长度考虑大变形中粒子相互间距的变化.分析了水射流与刚性表面的弹性碰撞,给出了射流变形与压力传播过程.对于水射流与塑性表面的碰撞,将SPH方法与有限元方法通过接触算法加以耦合,其中水射流以SPH粒子建模,而目标体以有限元方法建模.通过该耦合模型研究了在不同射流速度下切割深度与成坑孔径的变化,为理解切割机理和优化工作参数提供了参考.     

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.     

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。     

表面活性剂对HMX重结晶形貌的影响

以丙酮、乙酸乙酯、二甲亚砜（DMSO）、丁内酯和乙腈为溶剂,水为反溶剂,采用溶剂-反溶剂法研究不同溶液体系中表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵（1631）、山梨糖醇酐单油酸酯（斯潘80）及聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯（吐温20）对1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四氮杂环辛烷（奥克托今,亦称HMX）结晶形貌的影响,并对影响机理进行讨论。实验结果表明,表面活性剂对HMX结晶形貌有显著影响,其中十六烷基三甲基氯化铵在大多数结晶体系中是一种更好的晶形控制剂。     

液滴撞击圆柱外表面蒸发换热的数值模拟

为进一步研究液滴撞击加热壁面过程中的破裂现象及不同参数对液滴蒸发换热的影响,采用CLSVOF方法和相变模型对液滴撞击加热圆柱外表面进行三维数值模拟.模拟过程中考虑了壁面温度、接触角以及撞击速度对液滴蒸发换热的影响.结果表明:液滴产生破裂的位置与液滴撞击壁面时的速度有关,当撞击速度较小时,破裂产生于液滴中心处;当撞击速度较大时,破裂处位于中间和边缘两部分液体之间.液滴撞击壁面后,在三相接触线和液滴破裂处附近产生了蒸汽旋涡,强化了液滴与壁面间的换热,增加了液滴侧的壁面热流密度.短时间内壁面温度对液滴蒸发量的影响较小,但撞击速度与接触角对其蒸发量的影响较大,且接触角越小,撞击速度越大,壁面平均热流密度越大,液滴蒸发量越大,有利于液滴与壁面间的换热.     

表面形貌对流体动压润滑和摩擦的影响

为探求表面形貌参数与粗糙接触界面流体动压润滑和摩擦性能之间的关系,应用有限差分法求解雷诺方程,结合膜厚方程和剪切力(摩擦力)方程,获得了随机粗糙表面接触压力和摩擦力的三维分布状态.通过对三维粗糙随机接触表面进行计算机模拟仿真,理论模型和计算方法得到了验证.随机粗糙接触载荷和摩擦力均随ISO 25178表面形貌参数国际标准中表面高度均方根偏差、表面高度分布偏态和表面展开面积比的增加而非线性增加,随自相关最快衰减率的增加而显著减小,揭示了表面形貌中"峰"和"谷"的特征对接触界面承载能力和摩擦力的影响.研究结果为进一步表面形貌的功能性表征研究提供了理论基础.     

后处理对电纺氧化钛复合纤维表面形貌的影响

以聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液与钛酸正丁酯为前驱体溶液,采用静电纺丝法制备氧化钛复合纤维,经空气中水解聚合、浸水和煅烧等后处理分别得到表面粗糙的氧化钛复合纤维和氧化钛无机纤维;采用扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱仪(FTIR)、热重分析仪(TG)对所制得纤维的表面形貌、结构和组成进行表征.结果表明:初纺的氧化钛复合纤维经过与空气中水分进行水解聚合后,纤维内部形成了不溶于水的骨架结构,使其浸水后仍能保持纤维形貌;同时复合纤维中水溶性成分的去除,使纤维表面形成粗糙结构,这种纤维的表面粗糙结构可通过不同温度煅烧进行调节,同时煅烧后得到氧化钛无机纤维.     

SPH和FEM耦合法模拟磨料水射流中单磨粒加速过程

针对Eulerian和ALE(arbitrary lagriange eulerian)方法仿真研究磨料水射流喷嘴中磨料粒子加速过程的局限性,提出采用SPH(smoothed particle hydrodynamics)耦合FEM(finite element method)的方法研究后混式磨料水射流喷嘴中低速磨料粒子在高速水射流作用下的流体动力学特性和磨粒加速后撞击靶材的全过程。水用SPH建模,磨料粒子、喷嘴和工件用FEM建模,通过接触算法实现SPH和FEM的耦合以模拟后混式磨料水射流加工的全过程。仿真研究了磨粒和水在喷嘴中各自的速度变化过程;单磨粒在喷嘴中的运动轨迹;不同直径的磨料粒子在不同水压作用下的速度变化过程;不同直径的磨粒在不同直径的混合管中出口速度的变化规律;磨料粒子在工件上的撞击深度。通过与相关实验及理论数据的比较,验证了仿真模型和结果的正确性。     

钛合金筒形件温热强旋热力耦合有限元模拟

针对BT20钛合金筒形件建立了三维热力耦合有限元模型,在有限元模拟过程中叠加了火焰加热边界条件.计算了成形过程中工件上温度场的分布情况以及旋压力的变化.所建立的有限元模型更加符合实际工况,模拟结果更加真实可靠.     

有限元法在表面波等离子体中的数值模拟应用

工业用平板型表面波等离子体（SWP）源具有大面积、高密度、高活性等优良性能,其建造之前必须进行结构优化,而对表面电磁波的数值模拟,可以辅助其优化设计。基于有限元法（FEM）,采用AnsoftHFSS模拟软件,数值仿真了大面积矩形SWP源的电磁场空间分布。研究了开槽天线激发表面波场的特性,得出了表面波场的空间分布,与理论分析和实验结果进行了对比,解释了表面波放电的实验现象。研究结果表明在石英-等离子体界面有表面电磁波存在,且分布均匀。研究成果为大面积高效等离子体工艺的产业应用提供建议,也为下一代超大面积SWP源的成功建造提供了有益借鉴。     

基于有限体积法的地表径流与土壤水流耦合分析

为了考虑强降雨条件下地表径流对土体入渗的影响,将地表径流模型同土壤水流模型进行耦合分析. 采用Navier-Stokes方程模拟地表径流,采用Richards方程模拟土壤水流,2种方程均采用有限体积法求解. 在相同计算条件下,将耦合模型数值模拟结果与SEEP/W计算结果进行对比,以验证耦合模型的正确性,根据耦合模型计算边坡在强降雨条件下的入渗情况. 研究发现,在地表径流条件下,边坡坡顶和坡底水头相差较大,坡顶和坡底入渗深度存在明显差异,说明地表径流对土体的入渗有着较大的提高. 研究表明,随着地表径流的增强,土坡入渗强度提高.     

液-固挤压复合材料有限元模拟中的关键技术问题处理

液态浸渗挤压是一种金属基复合材料成形新工艺。通过对模拟过程中关键技术问题的处理，首次利用刚塑性有限元法对其应力应变场进行了模拟，给出了液－固挤压过程的等效应变、应变率和应力的等值线图及网格变化图。实验结果与模拟结果的比较表明，本对关键技术问题的处理是正确的，从而为该工艺的生产应用奠定了理论基础。     

仿生射流表面孔径与射流速度耦合减阻特性数值模拟

针对仿生射流表面流场问题,基于非光滑表面减阻的仿生学理论,对鲨鱼鳃裂部位射流特征进行分析研究,建立具有类似于鲨鱼腮裂部位射流特征的仿生射流表面模型及可拓模型.利用SST k-ω湍流模型对仿生射流表面模型进行数值模拟,在主流场速度为20 m/s时,分析了不同射流孔径与不同射流速度耦合情况对壁面摩擦阻力、压差阻力及减阻率的影响,并对仿生射流表面减阻机理进行分析.研究表明在射流孔为5 mm时与射流速度耦合情况下的平均减阻率最大,为11.566%,同时为仿生射流表面多因素耦合情况下的减阻特性研究奠定基础.     

三维气固圆柱绕流颗粒扩散的直接数值模拟

为了考察颗粒在圆柱尾流中扩散的运动机理，对气固两相圆柱尾迹流动进行了高精度紧致差分方法的三维直接数值模拟.在对气相流场进行高精度模拟的基础上， 采用了Lagrangrian方法来追踪颗粒场的运动.比较了不同颗粒Stokes数为0.01、1、10和不同Reynolds数为180和200下颗粒的扩散函数，考察了三维圆柱尾迹流流场中气相场的运动对颗粒相扩散的影响.模拟结果表明：当气相流场由二维特性向三维特性转变时，由于受到气流场展向涡的影响，颗粒的展向扩散函数有相当程度的增大.颗粒在横向上扩散函数随着粒径的增大而增大，而在展向上颗粒扩散函数则随着粒径的增大而减小.     

Numerical simulation of bistatic scattering from fractal rough surface in the finite element method

By using the Monte Carlo method and numerical finite element approach, bistatic scattering from the fractal and Gaussian rough surfaces is studied. The difference between these two surfaces and their functional dependence on the surface parameters are discussed. Angular variation of bistatic scattering from the fractal surface is very significant, even for fairly smooth surface, whilst scattering from the Gaussian rough surface tends to the specular reflection. The slope of angular variation is linearly related with the fractal dimension. If an electrically-large target is placed over the rough surface, the fractal dimension inverted from bistatic scattering would be reduced. As the surfaces become very rough, scattering from different fractal and Gaussian surfaces would be not identified.