岩土动力问题数值分析中人工边界研究进展

在岩土工程动力学中,大型复杂的工程通常将无限域或半无限域转化为有限域,并引入人工边界进行数值分析计算,以达到计算过程高效、动力反应结果可靠的目的。有限差分或有限元法引入黏性边界、透射边界、黏弹性人工边界、等效黏弹性人工边界单元和有限元与无限元、边界元耦合的分析方法成了重要的无限域动力问题分析方法。文章论述了有限差分法、有限元法以及耦合法,阐述了黏性边界、透射边界、黏弹性人工边界、等效黏弹性人工边界单元、无限单元、边界单元的发展状况,探讨分析了不同动力边界的特点和现有局限性,总结了不同动力边界在实际工程中的应用,并展望了岩土动力学中无限域人工边界的研究方向。     

无网格虚边界法在无限域问题中的应用

采用具有紧支特性的样条函数构造近似函数,将无网格虚边界法应用于无限域问题的求解。该方法既具有无网格法不依赖网格和边界元降维的优势,同时虚边界和真实边界的分离又消除了边界型方法存在的奇异积分、边界层效应和角点问题。数值算例表明,该方法具有较高的计算精度和良好的收敛性,适合于求解无限域问题。     

直接边界元法及其在地下水渗流问题中的应用

边界元法由于只在边界划分单元，可降低一维进行计算等特点，且适合于解决无限域问题，在渗流研究中具有一定的独特优点。本文作者用直接边界元法对正交各向异性介质定常渗流问题进行了数值方法研究与数值计算。通过选取适当的坐标函数，应用Green公式将区域积分转化为边界积分，充分发挥了边界元法的优势，并用Fortran语言编写了边界元法计算程序，进行了算例计算。     

三维无限域问题材料参数反分析的边界元方法

根据对偶边界控制反分析原理编制了基于三维边界元方法的岩土材料参数识别程序,并使用了无限边界单元来解决岩土工程中固有的无限域问题。实际计算结果表明了此方法的有效性。     

风力机叶型气动特性数值分析的新方法—边界元法

本文对风力机叶型的气动特性数值分析提出了一种新的方法——边界元法,它只对求解域的边界进行离散,该方法具有需要机器内存小、计算时间短、解的精度高等特点。对于求解无限域问题,这种方法比有限差分法和有限元法好。     

正交各向异性非定常渗流边界元法计算

计算各向异性介质渗流一直是一个重要研究课题,边界元法由于只在边界划分单元,可降低一维进行计算等特点,且适合于解决无限域问题,在渗流研究中具有一定的独特优点,尤其在处理含有源问题时,本文用边界元法对各向异性介质非定常渗流问题进行数值方法研究与数值计算。对非定常问题在对时间推时涉及到区域积分的计算,本文选取适当的坐标函数,再次应用Ｇｒｅｅｎ公式将区域积分转化为边界积分,因而做到唯边界计算,充分发挥了边     

粘性流下物体撞水分析的Laplace变换——边界元耦合方法

对刚性物体撞水作用下的粘性流场分析,提出了一个Laplace变换－边界元耦合方法。文中基于线性化的二维Navier-Stokes方程,首先利用Lamb变换,在Laplace变换域内将不可压粘性流体的控制方程化为求解相应的势函数和流函数,它们分别满足Laplace方程和Helmholtz方程,采用边界元方法,获得了这两类方程的解答。然后,借助Laplace数值逆变换方法,得到了时间域的解。     

人工流场确定密县盆地岩溶水北部和南部边界

新密电厂岩溶水水源地勘探工作中，通过大群井抽水试验形成的人工流场，解决了其北部边界的争议总是和确定了南东部的边界性质，为盆地岩溶地下水资源评价提出了客观依据。     

波浪对双层圆弧型贯底式开孔介质防波堤的绕射

为研究波浪对双层圆弧型贯底式开孔介质防波堤的绕射问题,利用比例边界有限元方法(SBFEM)建立该问题的半解析解模型.分析时将双层圆弧延伸构建出2个虚拟同心圆可将整个流场可划分成2个有限域和1个无限域.利用变分原理推导出了关于势函数的各个子域SBFEM方程,并对SBFEM方程进行了求解.数值算例验证了该方法是一种只需离散最外边界而且用很少单元便能得到精确结果的高效算法.给出了短峰波波向、相对波数、内外半径比、圆弧段的位置、张角以及孔隙影响系数等因素对整个结构波浪绕射的影响.结果表明,双层圆弧型贯底式开孔介质防波堤与以上参数的变化密切相关.     

用边界单元法分析井底流场

在设计和使用牙轮钻头或ＰＤＣ钻头时，要优选喷嘴的组配，必须了解不同喷嘴配置下井底流场水力分布情况，本文尝试把边界单元法用于分析井底流场水力分布，建立了描述井底浸流速度场的积分方程，给出了采用边界单元法求解井底速度场的数值方法过程，在算例中分析了多喷嘴钻头井底流场的速度分布问题，计算实践表明采用边界单元法可比较简单方便地计算分析多喷嘴井底流场水力分布问题，可用于优选钻头喷嘴组配。     

Phase-field simulation of dendritic growth in a forced liquid metal flow coupling with boundary heat flux

A phase-field model with forced liquid metal flow was employed to study the effect of boundary heat flux on the dendritic structure forming of a Ni-40.8%Cu alloy with liquid flow during solidification.The effect of the flow field coupling with boundary heat extractions on the morphology change and distributions of concentration and temperature fields was analyzed and discussed.The forced liquid flow could significantly affect the dendrite morphology,concentration and temperature distributions in the solidifying microstructure.And coupling with boundary heat extraction,the solute segregation and concentration diffusion were changed with different heat flux.The morphology,concentration and temperature distributions were significantly influenced by increasing the heat extraction,which could relatively make the effect of liquid flow constrained.With increasing the initial velocity of liquid flow,the lopsided rate of the primary dendrite arm was enlarged and the transition of developing manner of the secondary arms moved to the large heat extraction direction.It was the competition between heat flux and forced liquid flow that finally determined microstructure forming during solidification.     

岩石抗力和内外温差对大型水电站蜗壳结构的影响

应用有限元方法分析了某大型水电站地下厂房中蜗壳结构的温度场和温度应力,阐述了围岩弹性抗力系数的确定方法,得出了混凝土截面的切向正应力。计算分别采用第一类（已知温度的边界）和第三类（对流换热边界）温度边界条件,并对两种边界条件下的温度场和温度应力进行了比较,根据计算结果讨论了温度应力对蜗壳外围混凝土结构的配筋影响。     

旋流喷嘴内部流场的数值模拟和实验研究

为了揭示旋流喷嘴内部流动机理,有效预测其外部雾化特性,采用VOF多相流模型和RNG κ-ε湍流模型对旋流喷嘴内部的气液两相流动进行了数值模拟.通过对喷嘴结构进行合理的网格划分和特殊边界条件设置,计算了喷嘴内部的速度场、压力场和空气芯的形状尺寸.分别通过激光测速仪和高速摄像仪测量出口速度、空气芯的直径和雾化半锥角,对计算结果进行了验证.结果表明,旋流喷嘴内部流动为Rankine涡结构,其雾化特性如雾化角和液膜厚度等可以通过分析出口处流场得到.     

大体积混凝土水化热温度场三维有限元分析

利用结构有限元分析程序Super SAP对大体积混凝土温度场进行模拟计算,对计算结果进行了分析,寻找大体积混凝土温度场分布存在的规律,为Super SAP在大体积混凝土温度场预测中的应用提供理论分析的依据。理论分析表明,表面边界条件不同,温度场的分布存在规律性的变化,边界条件相同时,温度分布存在对称性,反之不存在对称性,并且基础沿厚度方向的中心截面具有对称性。     

路面结构的动态响应分析研究

动态荷载作用下路面结构的响应分析研究越来越受到人们的重视.将比例边界元方法引入路面结构的动态响应求解,并与有限元方法进行对比分析.工程实例的计算结果表明,比例边界元法具有计算简单、精度高等优点,对路面结构的动态响应分析较为适用.     

Temperature distribution in front of the liquid-solid interface in the undercooled pure melt influenced by a transverse far field flow

The directional solidification in the undercooled pure melt influenced by a transverse far field flow was studied by using the multiple scale method. The result shows that in the boundary layer near the liquid-solid interface, when affected by a transverse far field flow, the temperature distribution in the direction of crystal growth presents an oscillatory and decay front in the side of liq- uid phase. The crucial distinguishing feature of a temperature pattern due to the transverse convection is the additional periodic modulation of the pattern in the growth direction. The wave number and eigenvalue that satisfy the Mullins-Sekerka dispersion rela- tion are suppressed by the transverse far field flow.     

纵向三层土壤中的电流场计算

提出了纵向三层土壤中电流场的计算模型，并通过求解拉普拉斯方程，推导出该模型中电流场计算公式．据此，可以用边界元法计算该模型中任意方式埋设的接地网的接地电阻及空间中任意一点的电位．计算方法对于大型水电站接地网设计具有参考价值     

基于有限差分法的焊接熔池中耦合场的数值模拟

针对TIG（钨极惰性气体保护电弧焊）焊接熔池中流场和温度场的耦合问题,建立了一定条件下的焊件上液体区域的温度、速度、压力等变量和固体区域的温度变量之间强耦合的三维瞬态控制方程及初始条件和边界条件,运用有限差分法与牛顿迭代法、超松弛方法相结合的数值方法对该数学模型进行了求解,并对0Cr18Ni9不锈钢薄板的TIG焊接熔池中流场和温度场进行了数值模拟.模拟结果验证了该数学模型和所采用的数值方法的有效性,为TIG焊接熔池的数值模拟及与其类似的实际问题的数值模拟提供了理论依据和实验数据.     

基于有限差分法的焊接熔池中耦合场的数值模拟

针对TIG(钨极惰性气体保护电弧焊)焊接熔池中流场和温度场的耦合问题,建立了一定条件下的焊件上液体区域的温度、速度、压力等变量和固体区域的温度变量之间强耦合的三维瞬态控制方程及初始条件和边界条件,运用有限差分法与牛顿迭代法、超松弛方法相结合的数值方法对该数学模型进行了求解,并对0Cr18Ni9不锈钢薄板的TIG焊接熔池中流场和温度场进行了数值模拟.模拟结果验证了该数学模型和所采用的数值方法的有效性,为TIG焊接熔池的数值模拟及与其类似的实际问题的数值模拟提供了理论依据和实验数据.     

微波多层电路通孔电磁特性混合分析方法

通过对通孔结构物理建模,将其划分为外部结构和内部结构,针对其不同特点分别使用改进矩阵束矩量法和考虑平行板效应的等效电路法进行分析,根据微波网络级联的方法,可以获得反映完整通孔特性的散射参数。与商用软件HFSS的仿真结果对比,验证了不同边界条件下混合分析方法计算通孔散射参数的正确性。由于混合分析方法结合了场分析方法和路分析方法的优点,因此计算效率较商用仿真软件提高了5倍以上。