检索结果-内蒙古大学图书馆

上海交通大学学报 2009年第6期43卷 1017-1020页

作者：沈建奇金先龙杨建刚凌宇峰上海交通大学高性能计算中心上海200240 上海隧道工程股份有限公司上海200062

基于子模型方法与任意拉格朗日-欧拉有限元方法(ALE),建立了盾构机刀盘掘削过程的三维数值模型.在保证计算精度的前提下,实现了模型缩减、ALE网格精细化、地应力场初始化.通过将计算结果与某模型盾构机掘进试验的实测数据对比,验证了该... 详细信息

基于子模型方法与任意拉格朗日-欧拉有限元方法(ALE),建立了盾构机刀盘掘削过程的三维数值模型.在保证计算精度的前提下,实现了模型缩减、ALE网格精细化、地应力场初始化.通过将计算结果与某模型盾构机掘进试验的实测数据对比,验证了该方法的正确性与准确性.研究结果表明:基于ALE方法的盾构机刀盘掘削数值模型可以准确模拟土体破坏、脱离过程;基于子模型方法得到的初始应力场准确反映了原土层的地应力场,得到了地应力场对刀盘受力的影响关系.

关键词：子模型方法任意拉格朗日-欧拉方法盾构机刀盘

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一类二阶守恒单调重映算法

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南京航空航天大学学报 2004年第5期36卷 653-657页

作者：王永健赵宁南京航空航天大学理学院南京210016 南京航空航天大学航空宇航学院南京210016

在大变形流体力学问题的数值模拟中 ,经常会涉及到计算网格的重分。基于不同网格的物理量传递便是所谓的重映技术。重映算法是任意拉格朗日 -欧拉方法的重要组成部分 ,本文描述了一类适用于任意网格的二阶守恒单调重映算法。该算法分为... 详细信息

在大变形流体力学问题的数值模拟中 ,经常会涉及到计算网格的重分。基于不同网格的物理量传递便是所谓的重映技术。重映算法是任意拉格朗日 -欧拉方法的重要组成部分 ,本文描述了一类适用于任意网格的二阶守恒单调重映算法。该算法分为网格内物理量的多项式重构、近似积分计算、物理量的单调修正三个部分。本文采用了最小二乘法的思想构造了网格内物理量的梯度 ,并且通过对物理量的单调修正 ,保证了算法的精度和单调性。该算法计算公共表面上的网格间质量的改变 ,所以可以在任意网格上使用。通过一系列数值算例验证了该算法。

关键词：重映技术重构任意网格任意拉格朗日-欧拉方法

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薄膜沿加热平板下落的稳定性及其时空演化

薄膜沿加热平板下落的稳定性及其时空演化

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作者：胡军中国科学技术大学

学位级别：博士

沿平板下落的薄膜流动是一类典型的简单开式流动,它不仅在工程上有着广泛的应用,在理论上也有着重大的研究价值.本文从理论和数值上对恒温、均匀加热、线性加热以及局部加热下落薄膜的线性稳定性和时空演化特性分别进行了深入研究.本文... 详细信息

沿平板下落的薄膜流动是一类典型的简单开式流动,它不仅在工程上有着广泛的应用,在理论上也有着重大的研究价值.本文从理论和数值上对恒温、均匀加热、线性加热以及局部加热下落薄膜的线性稳定性和时空演化特性分别进行了深入研究.本文首先从全尺度的Navier-Stokes方程和基本平行剪切流出发,推导了恒温下落薄膜的线性稳定性方程(Orr-Sommerfeld方程)及相应的自由面边界条件.对Orr-Sommerfeld方程的特征值问题采用Chebyshev谱配置法可以计算得到精确的数值色散关系.当倾角很小时,时间不稳定分析显示流动存在表面波不稳定和剪切不稳定.而当倾角较大时,剪切不稳定不存在了,同时表面波不稳定的临界Reynolds数发生在无穷长波处,并且其与倾角的大小有关而与Weber数无关.根据Briggs-Bers碰撞准则来研究了薄膜的绝对与对流不稳定特性,发现在很大的参数空间里流动都是对流不稳定的;同时还发现在Reynolds数大子100时,在向下游的某个惯性坐标系下不稳定发生了一个奇异的鞍点分叉.基于空间模式只在对流不稳定的流动中才是有效的,本文还通过直接数值计算和对时间模式的Gaster变换来研究由入口扰动引起的空间放大波的特性(即信号问题),证实了Gaster变换在时间增长率和空间增长率都很小时的有效性.采用类似与恒温下落薄膜的方法,本文对均匀加热和线性加热下落薄膜进行了全尺度的线性稳定性分析.均匀加热薄膜的时间模式的中性曲线揭示了流动除了存在表面波不稳定,还有两种类型的热毛细不稳定(S模态和P模态).绝对与对流不稳定分析进一步指出当Marangoni数大于某个临界值时,这两个热不稳定模态都会发生流动的绝对不稳定,为此我们画出了它们在参数空间内的绝对与对流不稳定的边界曲线.对于线性加热引起的热毛细不稳定,当Marangoni数很小和很大时,流动是对流不稳定,而绝对不稳定只发生在Marangoni数中等大小的区域.本文还采用借鉴润滑理论的长波近似,分别推导了恒温和线性加热下落薄膜的Benney非线性演化方程.基于Benney方程的弱非线性分析表明,薄膜流动在临界雷诺数处发生了不稳定的超临界和亚临界分叉.对演化方程的有限振幅数值计算证实了弱菲线性理论的结果.这样我们就得到了在弱非线性区域内的首次失稳后的二维饱和解.进一步,以此二维非线性饱和解为基本解应用Floquet定理本文研究了线性加热下落游膜的三维二次同步不稳定和二次谐波不稳定.我们的二次失稳分析揭示了Marangoni数对加热薄膜的二次失稳起着不稳定的作用.除了长波近似方程,我们还推导了沿任意加热平板下落薄膜的积分边界层方程.我们得到的积分边界层方程形式上类似于带源项的浅水波方程.因此,对积分边界层方程的数值计算可以采用已有的处理带源项浅水波方程的方法.本文采用Le Veque的高精度Godunov方法,通过使源项与数值通量相平衡的方式来消除源项的影响.我们模拟了薄膜流动三种局部平板温度分布下的二.维和三维时空演化过程.最后,本文还对二维加热下落薄膜采用ALE有限元方法进行了直接数值模拟.通过在入口处外加不同频率的小扰动,我们研究了恒温薄膜的表面放大波的空间增长特性,并将计算结果与全尺度的线性稳定分析计算结果比较,得到了直接数值模拟与理论相一致的结论.而对于局部加热薄膜的数值模拟,可以观察到表面剖面为前凸后凹的驼峰状形态,并且Reynolds数、Biot数和Prandtl数的减小以及Marangoni数的增大都会使表面幅度增大.同时我们还发现当表面幅度很大时,前凸流动区域出现回流现象,这会使得薄膜流动的长波近似失效.此外,我们还观察到流向速度和温度沿横向均是自相似的抛物化分布.本文的结果对深化复杂流场失稳和图象形成的认识等有重要的科学意义,对流动控制有重要的应用价值.

关键词：贝纳德对流实验布悉尼斯克近似 T-S波范德华力热交换系数导热系数表面波不稳定热毛细不稳定 Chebyshev谱配置法弱非线性分析二次同步不稳定二次谐波不稳定积分边界层方法任意拉格朗日-欧拉方法自由边界条件

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高速铁路大型客站建筑风荷载及流固耦合作用研究

高速铁路大型客站建筑风荷载及流固耦合作用研究

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作者：余志祥西南交通大学

学位级别：博士

随着国内高速铁路建设热潮,各种造型新颖、布局复杂的大型交通枢纽客站陆续建成。这些客站采用了多种新型结构形式,风荷载成为其正常使用及安全运营的主要影响因素之一。外观造型及站场布局影响致使铁路客站产生了复杂的风致作用,站场... 详细信息

随着国内高速铁路建设热潮,各种造型新颖、布局复杂的大型交通枢纽客站陆续建成。这些客站采用了多种新型结构形式,风荷载成为其正常使用及安全运营的主要影响因素之一。外观造型及站场布局影响致使铁路客站产生了复杂的风致作用,站场建筑群的干扰影响进一步加剧了这种复杂性。目前,国内外对高速铁路客站风致作用研究较少,已有研究多局限于具体工程应用,缺少对其风致作用的形成机理、变化规律进行深入探讨。因此,对铁路客站风致作用展开深入系统地研究具有重要的工程意义和学术价值。本文基于CFD数值模拟、风洞试验和非定常流固耦合(FSI)理论,研究了大气边界层下铁路客站建筑的基本风荷载特性和风场特征,揭示了平均来流及脉动来流条件下站场建筑的风致作用形成机理及变化规律,并将研究成果应用于实际工程的抗风设计。论文完成的主要研究内容如下：首先,对计算风工程理论进行了梳理,搭建起数值风洞模拟的基本方法框架和参数体系。同时,基于CFX的全隐式瞬态时间步进算法,提出了准稳态时步逼近求解技术(QSMA:Quasi-Steady State Marching-on in time Approximation Techniques),通过数学推导证明了这种技术在时间离散格式上的稳定性、误差传递的趋零特性,给出了与之配套的多目标收敛监测、数值稳定控制参数,并与Murakami-3D立方体模型的隐式稳态模拟结果进行了比较,证明了其有效性。这种技术降低了瞬态算法求解稳态问题的时间步长及容差限制,和传统稳态算法相比,计算消耗没有增加,但由于利用了瞬态控制方程求解,针对复杂建筑风场数值模拟的收敛性增强。第二,基于准稳态时步逼近技术,结合TTU模型实测数据,对EARSM用于建筑数值风洞模拟的计算控制参数进行了系统研究,包括流场自平衡检验、网格形式、湍流模型、流场尺度、边界条件、对流项格式、近壁区网格△y值等。通过系统的校准研究,搭建起基于EARSM的数值风洞模拟计算参数框架。第三,基于几何拓扑分析原理,提出了铁路客站建筑群风荷载预测的模化特征体分析方法,结合12组特征体模型的试验数据,采用EARSM和准稳态时步逼近求解技术进行了数值风洞模拟,研究了风向角、屋面坡度、结构高度、屋面拓扑特征、结构开敞与否、矢跨比对风荷载形成机理以及风场特性的影响。将该方法用于实际铁路客站风荷载分析并与规范相似特征相比较,结果表明方法的实用有效。第四,设计了4组参数性风洞试验模型,考虑建筑群风场干扰影响、雨棚是否开缝、二期扩建、匝道阻塞影响,进行了风洞试验,研究了铁路客站的风场干扰影响规律。基于几何拓扑分析原理,将铁路客站简化为三种典型的模化布局特征体模型。结合数值风洞模拟、模化特征体分析方法以及试验数据,对站台区雨棚开缝率、主站房与站台雨棚的高度比、主站房入口大悬挑雨棚俯仰角等风场干扰影响因素进行了深入研究,给出了铁路客站风场干扰影响的主要变化规律。最后,采用AR法和WAWS法编制了多点三维相关脉动风速模拟程序、脉动风速散度修正程序,构建了非定常流固耦合(FSI)分析的脉动入流边界。基于TTU实测数据对人工模拟脉动风场进行了校准分析。基于自编目标概率法程序研究了脉动风场的统计特性。基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)坐标下的有限体积法,采用大涡模拟(LES)求解Navier-Stokes方程,构建了大跨度弦支结构雨棚的气动分析模型；结合大跨度弦支结构雨棚的非线性瞬态动力学模型,采用ALE方法处理结构与风场的运动边界,实现了结构动力学与计算流体力学的结合,构建了结构-风场耦合分析模型；研究了不同风向角下大跨度弦支结构雨棚动力响应的频谱特征、脉动风压分布规律、预张力对弦索振动特性的影响、脉动风对弦索张力退化的影响等,可为工程设计提供参考。

关键词：高速铁路客站湍流 CFD 时间步进方法显式代数应力模型任意拉格朗日-欧拉方法流固耦合弦支结构脉动风

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计算机辅助优化胸主动脉腔内修复术

计算机辅助优化胸主动脉腔内修复术

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作者：乔永辉浙江大学

学位级别：博士

心血管病已成为人类健康的头号杀手。中国心血管病的年死亡人数约占疾病死亡总人数的40%,高于肿瘤及其他疾病,居首位。心血管病的预防治疗已成为研究的热点和难点。心脏是人体血液循环的“动力泵”,主动脉则是心血管的“主管道”。主动... 详细信息

心血管病已成为人类健康的头号杀手。中国心血管病的年死亡人数约占疾病死亡总人数的40%,高于肿瘤及其他疾病,居首位。心血管病的预防治疗已成为研究的热点和难点。心脏是人体血液循环的“动力泵”,主动脉则是心血管的“主管道”。主动脉作为与心脏直接相连的大动脉,承担着分配血液的重要功能。常见的主动脉病变包括主动脉夹层、主动脉瘤等,目前主流的临床治疗方式是胸主动脉腔内修复术(TEVAR)。血液动力学参数有助于评价主动脉健康状况以及预测其患病风险。然而,现有的临床测量技术难以准确获取全面的血液动力学参数,无法有效辅助临床医生进行诊断治疗以及改进手术方案。本文基于计算流体力学方法,将血液简化为单相非牛顿流体,耦合弹性腔模型获取符合生理特征的压力曲线,利用双向流固耦合方法模拟血液流动与主动脉壁面之间的相互作用,建立了人体主动脉血液流动模型。同时,本文采用该模型定量研究了复杂TEVAR手术对主动脉血液动力学参数的影响,研究内容主要包含以下三个部分。第一部分研究了伴随左锁骨下动脉(LSA)封堵的TEVAR手术。临床上为获取充足的锚定区,LSA入口会被覆膜支架封堵。本文基于临床医学图像重建了主动脉三维几何模型,分别开展了术前、术后的血液流动模拟,分析了封堵LSA对主动脉血液动力学参数的影响,同时虚拟构建了未封堵LSA的术后几何模型,探究了LSA存在的血液动力学意义,建议临床医生术后对被封堵的LSA进行重建。第二部分开展了伴随原位单开窗TEVAR手术的研究。当LSA被支架封堵后,可利用原位开窗技术重建该血管。本文首先选取了一例真实的临床病例,获取了术后血液动力学参数,发现了异常的血液流量分配以及压力分布;随后,虚拟构建了两例术后几何模型,研究了开窗支架在主动脉弓部的伸出长度对血液动力学参数的影响,并比较了术后并发症的风险;最后,基于理想的主动脉几何模型,全面系统地分析了支架伸出长度和弯折角度对术后血液动力学参数的影响,获得了与真实主动脉一致的结果,发现了该手术存在的不足与长期风险,为临床医生改进伴随原位单开窗的TEVAR手术提供了理论依据。第三部分探究了伴随原位双开窗TEVAR手术的影响。基于临床患者真实数据,重建了两例极具代表性的术后主动脉几何模型,采用本文建立的血液流动模型获取了术后主动脉的血液动力学参数,揭示了典型的双伸出段形态对主动脉弓部血液流场的影响。

关键词：人体主动脉左锁骨下动脉血液动力学弹性腔模型流固耦合任意拉格朗日-欧拉方法胸主动脉腔内修复术原位开窗

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基于Archard理论的浮动密封结构磨损特性试验研究

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机电工程 2023年第8期40卷 1147-1156页

作者：高俊峰李伟靳卫华吴磊明友合肥通用机械研究院有限公司安徽合肥230031

管线闸阀工作过程中,常常会因密封接触面的磨损而导致其密封失效。针对这一问题,以代号为Z943Y-300Lb的高压管线平板闸阀为例,对其浮动密封结构的磨损特性进行了理论推导、仿真分析和试验测试研究。首先,运用了任意拉格朗日-欧拉(ALE)... 详细信息

管线闸阀工作过程中,常常会因密封接触面的磨损而导致其密封失效。针对这一问题,以代号为Z943Y-300Lb的高压管线平板闸阀为例,对其浮动密封结构的磨损特性进行了理论推导、仿真分析和试验测试研究。首先,运用了任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法和Archard磨损模型,对浮动密封结构启闭后的接触面磨损厚度进行了理论推导;然后,根据浮动密封结构特点,提出了以全局磨损量均方根值(RMS)为评价指标的方法;接着,利用ABAQUS软件,对浮动密封结构进行了摩擦动力学仿真分析,并研究了不同启闭次数、密封面宽度对浮动密封结构磨损特性的影响问题;最后,采用最小二乘法建立了高压管线平板闸阀密封面磨损量预测模型,预测磨损等厚度时所允许的磨损寿命,并根据试验测试结果对仿真结果的准确性进行了验证。研究结果表明:相对于其他区域,区域Ⅰ、区域Ⅱ的磨损量较大;启闭速度对闸阀密封结构的磨损寿命影响较大,随着启闭速度的增加,密封结构的区间磨损寿命呈现先增加、后减小的趋势;启闭速度为210 mm/s时,闸阀密封结构的磨损寿命最大;在一定的范围内,其磨损寿命随着密封面宽度增大而增加。该研究分析可为闸阀密封结构的优化设计及寿命预测提供理论基础。

关键词：高压管线平板闸阀 Archard理论模型任意拉格朗日-欧拉方法磨损量均方根值浮动密封结构失效启闭速度磨损寿命

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基于固态纳米孔的生物分子检测及仿真研究

基于固态纳米孔的生物分子检测及仿真研究

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作者：张振东南大学

学位级别：硕士

近些年来,纳米孔检测技术因其具有无标签、成本低、耗时短、传感性能高等显著优势,被广泛应用于蛋白质、病毒、核苷酸链等生物分子检测和纳米粒子表征,被认为是最具发展潜力的新一代测序技术。充分理解纳米孔检测技术原理和纳米孔内的... 详细信息

近些年来,纳米孔检测技术因其具有无标签、成本低、耗时短、传感性能高等显著优势,被广泛应用于蛋白质、病毒、核苷酸链等生物分子检测和纳米粒子表征,被认为是最具发展潜力的新一代测序技术。充分理解纳米孔检测技术原理和纳米孔内的物理过程,对提升纳米孔传感性能至关重要,数值仿真技术可以模拟纳米孔内物理场分布,能够帮助理解纳米孔内发生的物理过程,是优化纳米孔传感性能的有力工具。目前,数值仿真方法包括有限元仿真和分子动力学仿真,有限元能够准确模拟稳态下纳米孔的物理场分布,并且计算量小;分子动力学仿真虽然能够模拟瞬态条件下纳米孔内发生的分子易位事件,然而其计算量巨大、耗费时间长、成本巨大,不利于数值仿真技术的广泛应用。因此,本文论文结合成熟的纳米孔有限元仿真模型和分子动力学仿真思想,使用任意拉格朗日-欧拉方法(ALE),在纳米孔稳态仿真的基础上构建生物分子易位瞬态仿真模型,并以双链DNA为检测样本,完成纳米孔对DNA易位检测,通过实验与仿真数据的结合,对模型进行检验与验证。具体研究内容如下:1.搭建固态纳米孔稳态仿真模型该模型使用泊松-能斯特-布朗克(PNP-NS)方程,对纳米孔几何模型进行建模,该模型能够求解纳米孔内的电场强度、流体速度、浓度分布等物理场分布。稳态模型是构建瞬态仿真模型的基础,以稳态仿真结果为瞬态仿真结果的初始值,以构建准确的瞬态仿真模型。2.搭建生物分子易位瞬态仿真模型,完成不同实验条件下的DNA易位仿真在稳态仿真模型的基础上,本文对分析物在纳米孔内受到的作用力进一步分析,主要考虑驱动分析物过孔的电泳力和阻碍分析物运动的水动力。将双链DNA分子抽象成刚性的柱状体,构建物理场控制的牛顿受力方程,通过数学运算求解出分析物的运动轨迹。使用任意拉格朗日-欧拉方法(ALE)控制DNA通过纳米孔,仿真DNA分子易位产生的阻塞电流。此外,本文完成了纳米孔两侧施加不同电压、不同盐浓度梯度下的DNA易位仿真,得到相对应仿真条件下的阻塞电流幅值和时间。3.完成与仿真对应实验条件下DNA易位检测实验该部分为本文的实验研究部分,包括电介质击穿方法制备纳米孔实验、DNA分子易位检测实验和实验数据的统计分析。通过对实验数据的统计与分析得到相对应实验条件下的阻塞电流幅值和时间。通过实验发现盐浓度梯度除了可以有效的提高DNA分子易位时产生的阻塞电流幅值和DNA分子的捕获效率,并且能够降低纳米孔的背景噪声。4.完成仿真结果与实验结果的验证本文先将仿真所得Ⅰ-Ⅴ曲线与实验所得Ⅰ-Ⅴ曲线进行验证,发现仿真和实验Ⅰ-Ⅴ曲线结果非常相似,在130m V以上的实验条件下,开孔电流有部分偏差,但偏差结果不足10%。此外,本文进一步将仿真所得阻塞电流与实验所得阻塞电流进行对比,验证了生物分子易位瞬态仿真模型的准确性。对比发现,在相同的仿真和实验条件下,二者的阻塞电流幅值相似程度高且变化趋势一致。然而二者的易位时间有较大差异,但是其变化趋势是一致的。造成该现象的主要原因在于瞬态仿真模型未将DNA分子通过纳米孔时与纳米孔壁的相互作用考虑在内,而该现象在实际实验中是不可避免的,因此导致了易位时间上较大的差异。经过对比,验证了生物分子易位瞬态仿真模型的适用范围,模型能够较为准确预测生物分子易位的阻塞电流幅值和变化趋势,并且能够有效的验证生物分子易位时间的变化趋势,通过对比结果验证了仿真模型的准确性。此外,可以以生物分子易位瞬态仿真模型为基础,通过改变纳米孔几何尺寸或选择不同尺寸的生物分子等条件,来进一步的完善和优化仿真从而对实验进行指导。

关键词：固态纳米孔 PNP-NS 任意拉格朗日-欧拉方法 COMSOL仿真实验与仿真验证

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低雷诺数下圆柱结构系统的流固耦合运动数值分析

低雷诺数下圆柱结构系统的流固耦合运动数值分析

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作者：郭晓玲大连理工大学

学位级别：硕士

圆柱绕流是流体力学中的经典问题,同时圆柱型结构也广泛用于海洋工程领域,如海洋平台的桩柱支撑结构、立管系统及海底管线等。当水流经过这些圆柱型结构时,会在顺流向和横流向上形成周期性的振荡流体作用力,有可能导致结构发生运动响应... 详细信息

圆柱绕流是流体力学中的经典问题,同时圆柱型结构也广泛用于海洋工程领域,如海洋平台的桩柱支撑结构、立管系统及海底管线等。当水流经过这些圆柱型结构时,会在顺流向和横流向上形成周期性的振荡流体作用力,有可能导致结构发生运动响应,例如涡激振动就是其中的典型问题。特别是对于深水立管以及悬空的海底管道系统,结构的长细比较大,柔性特征明显,涡激振动极易造成结构物的疲劳破坏,缩短结构寿命,严重威胁结构物的安全稳定。此外,在一些情况下,圆柱结构也往往以集束形式或多体组合等复杂形式出现,这涉及到更为复杂的流动干涉现象以及流体和结构之间的耦合相互作用,需要对其中的力学机制和物理过程开展基础性研究。为了深入了解和认识与圆柱型结构密切相关的流固耦合问题,本论文首先在任意拉格朗日-欧拉观点下,建立了求解不可压缩粘性流体Navier-Stokes方程的三步有限元数值模型。在此基础上,结合结构运动方程,并引入合理的实时网格更新方法,来考虑流体运动与结构运动的耦合作用。在对数值模型的可靠性进行了严格验证的基础上,分别针对近壁多体圆柱绕流、多圆柱干涉作用下的涡激振动以及带尾流隔板圆柱系统的自旋运动等问题开展了数值研究。本论文研究工作侧重于流固耦合问题的基础理论分析,文中的相关数值计算工作限于二维低雷诺数流动。首先,利用本论文建立的数值模型研究了近壁串联固定等直径双圆柱的绕流问题。考察了圆心间距比以及柱壁间隙比(分别对应无量纲参数L/D和G/D,其中D为圆柱直径)对圆柱结构受力特性和尾涡脱落模式的影响作用。数值结果表明,随着L/D和G/D的变化,近壁圆柱结构系统具有三种不同的尾涡脱落模式,并且当尾迹模式发生变化时,会导致圆柱受力特性的突变。其次,对串联双圆柱涡激振动问题进行了数值模拟研究。其中,上游圆柱固定不动,下游圆柱在刚度和阻尼作用下,允许同时发生横流向和顺流向的双自由度运动。通过在Ur∈[3.0,12.0]的大范围约化速度变化区间内开展数值模拟分析,重点研究了圆柱间距比以及圆柱质量比对涡激振动运动响应及圆柱受力特性的影响。数值结果表明,圆柱间距比和质量比的变化都会导致涡激振动锁定区间的变化,进而深刻影响到圆柱的运动响应和受力特性,而这些方面都与圆柱尾流区内的涡旋脱落模式密切相关,体现了多体结构系统之间的复杂流动干涉效应。最后,研究了带有尾流隔板圆柱系统的流固耦合运动问题,包括圆柱与尾流隔板固连系统的受迫摆动和自由摆动问题。对于系统以圆心为中心的受迫摆动问题,分析了转角幅值和摆动频率对系统的受力和尾迹的影响作用。与带尾流隔板的固定圆柱相比,对于圆柱与尾流隔板固连系统的受迫摆动,当f>0.2后可以降低系统的平均拖曳力,而升力幅值却明显增大。对于系统在流体力作用下,以圆心为中心发生自由摆动的问题,研究了不同约化速度下,结构的受力特性、转动运动响应以及它们与尾流模式之间的关系。数值结果表明,圆柱结构系统的转角幅值、平均拖曳力系数、升力系数幅值以及转动频率在约化速度Ur=4.5时出现间断性突变(Re=100)；系统的平均转角和平均升力系数在低约化速度下为零,而在高约化速度下(Ur=11.0～15.0),由于尾流区内发生了不对称的涡旋脱落,导致系统受力和运动响应均发生随机性净偏移,出现了流动不稳定现象。

关键词： Navier-Stokes方程有限元任意拉格朗日-欧拉方法圆柱结构系统流固耦合运动

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低雷诺数下流固耦合及流动控制的数值研究

低雷诺数下流固耦合及流动控制的数值研究

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作者：陈传奇大连理工大学

学位级别：硕士

在海洋工程中,圆柱型结构有着广泛的应用。如海洋立管,海底输油管道等。当流体经过这些圆柱结构时,由于涡旋脱落产生周期性流体作用力,引起结构涡激振动,这将对结构的稳定及安全带来危害,该问题是典型的流固耦合问题。为研究与圆柱结构... 详细信息

在海洋工程中,圆柱型结构有着广泛的应用。如海洋立管,海底输油管道等。当流体经过这些圆柱结构时,由于涡旋脱落产生周期性流体作用力,引起结构涡激振动,这将对结构的稳定及安全带来危害,该问题是典型的流固耦合问题。为研究与圆柱结构相关的流固耦合问题及可行的流动控制措施,本文首先建立了二维层流状态下的数值模型,并引入基于任意拉格朗日-欧拉方法的动网格技术处理流固耦合问题。本文的研究内容包括：圆柱顺流向和横流向两自由度受迫振动基本特性；圆柱转动与横流向两自由度受迫振动基本特性；圆柱附属流动控制装置(整流罩)的流动控制效果。在进行数值计算前,对数值模型的可靠性进行了必要的校验和验证。首先,本文对不同相位差下圆柱顺流向与横流向两自由度受迫振动问题进行了数值研究,研究发现：各个相位差下升力系数均方根CLRMS和平均拖曳力系数CDM均随受迫振动频率增加而增加；不同相位差下,圆柱受力不同。其次,本文对圆柱转动与横流向两自由度受迫振动问题进行了数值模拟,重点研究两种受迫振动之间相位差对尾涡脱落模式及圆柱受力特征的影响,研究发现：当受迫振动频率很小时(Stf<0.6)在各个相位差下,不会发生“锁定”现象；在“锁定”状态转变成非“锁定”状态的受迫振动频率下,圆柱受力很小；文中研究范围内,当“锁定”发生时,尾涡脱落模式均为2S模式。最后,本文对圆柱附加整流罩流固耦合问题进行了数值研究,在本文的计算范围内,计算结果表明：当约化速度Ur=4.8时,整流罩系统受力发生跳跃；通过与相同雷诺数下静止单圆柱的计算结果对比可知,整流罩的减阻作用是明显的；而在特定的约化速度范围内,系统升力也显著的减小,但在这个约化速度范围之外的系统升力却增加了。综上所述,在本研究范围内,在一定约化速度条件下,整流罩无论是在减阻方面还是在消减升力方面均取得了很好的效果,这充分说明整流罩是一种有效的流动控制装置。

关键词：任意拉格朗日-欧拉方法流固耦合尾涡模态 “锁定” 流动控制整流罩

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螺旋桨漩涡发放数值模拟

螺旋桨漩涡发放数值模拟

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作者：彭猛大连理工大学

学位级别：硕士

螺旋桨的振动噪声、尤其是涡激共振引起的异常噪声一唱音,是船舶三大噪声源之一；噪声不但会影响影响船员的工作和休息,对于以隐蔽性为主要特征的舰艇、潜艇、声自导鱼雷等武器设备,船舶噪声会大大降低船舶的隐蔽性,暴露目标,招致敌方... 详细信息

螺旋桨的振动噪声、尤其是涡激共振引起的异常噪声一唱音,是船舶三大噪声源之一；噪声不但会影响影响船员的工作和休息,对于以隐蔽性为主要特征的舰艇、潜艇、声自导鱼雷等武器设备,船舶噪声会大大降低船舶的隐蔽性,暴露目标,招致敌方攻击。因此螺旋桨的涡激共振问题研究具有重要的意义。到目前为止已经发展出多种研究方法用于螺旋桨涡激振动流固耦合分析,包括离散涡方法、尾流振子法、实验方法和有限元仿真法等。其中,非线性的有限元数值模拟仿真方法是目前最为有效的方法之一,也是最符合实际的一种方法。螺旋桨旋涡发放现象是研究螺旋桨唱音问题的基础,本论文基于LS-DYNA软件和任意拉格朗日—欧拉方法(ALE)对螺旋桨漩涡发放的有限元模型进行了研究：为了验证数值模拟方法的合理性,本论文对均匀流场中圆柱体的涡激共振问题进行数值模拟计算,数值模拟计算结果和相关公式的计算结果一致。本论文通过建立MAU4-55螺旋桨单叶有限元模型和四叶有限元模型,研究了处于均匀来流中的两种螺旋桨在不同旋转速度条件下的漩涡发放问题；在建立有限元模型时,螺旋桨单叶模型中桨毂设为刚体材料,桨叶为弹性材料,螺旋桨四叶模型中桨毂和其中的两片桨叶设为刚体材料,另外两个桨叶设为弹性材料,取弹性桨叶上的测点作为研究对象。研究表明：螺旋桨桨叶的盘面应力和螺旋桨的旋转速度有直接关系关系,轴向应力很大程度上受螺旋桨的涡激力的影响；相同工况下螺旋桨单叶模型和螺旋桨四叶模型的数值模拟结果相近,在精度要求不高的情况下可以用螺旋桨单叶模型替代多叶模型进行漩涡发放问题数值模拟计算,从而大大降低工作量和数值模拟计算时间。

关键词：螺旋桨单叶和四叶模型漩涡发放任意拉格朗日-欧拉方法数值模拟

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