水下爆炸冲击载荷的一种新型算法研究

近年来,越来越多的研究者都重视使用计算机的数值模拟对水下爆炸进行研究.水下爆炸包含了一系列复杂的物理过程,如大变形、高度非均匀性、可变形边界和自由表面.对于传统的基于网格的数值方法,水下爆炸问题的模拟是一项非常具有挑战性的工作.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,并且提出了处理固壁和物质交界面的算法,给出了水下爆炸过程具有代表性瞬间的压力分布、速度分布以及气泡的演变和脉动,为舰船水下爆炸冲击载荷的计算提供了一种新型有效的研究方法.     

基于粒子追踪技术的海上溢油三维输运模式

本模式为基于Lagrange框架下的粒子追踪方法数值模拟海上溢油的三维输运模式,着重从非线性理论、随机性理论来建立分析污染物粒子的运动过程.在具体的数值求解过程中,采用Langevin方程与Fokker-Planck方程相结合,有效地解决了具有随机性的粒子运动过程;另外模式也考虑了污染物附着在岸上以及沉降到海底等过程.通过数值模拟结果与卫星遥感监测资料的比较,表明该模式已取得较好的模拟效果.     

基于粒子法的液舱共振晃荡现象研究

使用一种新的无网格粒子法——移动粒子半隐式法研究了液舱的共振晃荡现象.该方法使用粒子邻居间的关系构建模型以离散控制方程中的微分项,使用粒子数密度概念来保持流体的不可压缩性和识别自由表面.文中模拟了液箱横摇以及液箱多自由度激励下混合晃荡两组实例,验证了该粒子法在自由表面流动模拟中的优越性.     

光滑质点流体动力学(SPH)及其算法特性

基于Lagrange观点的无网格方法计算是建立在一群可移动的自适应性的质点基础之上,对特大变形区域和自由表面的捕捉有着较高的精度.光滑质点流体动力学(SPH)是无网格方法的一种,本文阐述其理论基础和计算方法,主要包括:SPH的基本概念、核近似和粒子近似的基本原理,核函数的构造方法、SPH形式的流体运动方程、边界处理方法和数值算例等多方面内容.研究工作在了解SPH方法的理论特点和潜在优势的同时,也为相关问题的深入研究和改进奠定了理论和算法基础.     

基于滑移网格方法的水陆两栖飞机单船身耐波性数值模拟

针对水陆两栖飞机单船身在规则波浪水面滑行过程中的运动响应大和强非线性等问题,提出一种基于滑移网格方法结合传统动网格方法的耐波性数值模拟方法,有效解决传统动网格方法在水陆两栖飞机水面大幅运动数值模拟过程中的网格严重拉伸和变形问题。通过数值模拟和水池试验,得到水陆两栖飞机单船身在规则波中滑行时的阻力平均值、运动响应双幅值和流场特征,对比数值模拟结果和水池试验结果,两者随波长的变化趋势基本相同,流场特征基本一致,且阻力平均值和运动响应双幅值误差均在10%以内,说明数值模拟精度较高,方法可行。     

螺旋桨在均匀流场中的非定常水动力数值模拟

采用滑移网格技术,使用基于求解RANS方程的CFD软件数值模拟均匀流场中的螺旋桨非定常水动力性能.为了真正实现螺旋桨的旋转运动,在计算过程中采用定长多运动参考系模型计算出初始流场,再用滑移网格模型完成整个计算.数值计算得到的推力系数和转矩系数与实验结果吻合良好,验证了该方法应用于螺旋桨水动力性能研究的可行性.     

空中爆炸下舰船桅杆结构变形及破裂的数值模拟

对某舰的桅杆结构及相关甲板，用Lagrange单元进行模拟，桅杆周围、内部的空气用Euler单元进行模拟，Lagrange单元和Euler单元耦合界面采用一般耦合方法。运用动力有限元软件MSC／DYTRAN中的多欧拉-拉格朗日耦合方法，欧拉方程求解时使用具有二阶精度的Roe求解器，用MSC／PATRAN进行前后处理，模拟出了桅杆结构在空中爆炸作用下的变形及破裂。在破口处，冲击波传入桅杆内部，使内部空气压力发生变化。数值分析表明，应变率对结构非线性变形影响较大，计算中应当予以考虑。     

南海深水区含气的溢油模拟技术

针对南海存在深水区发生水下溢油事故会引发天然气泄漏的问题,基于Lagrange积分法和Lagrange粒子追踪法建立含气的水下溢油数值模型,重点探讨油气溶解和水合物合成分解等过程,模拟天然气和溢油在水体中的迁移扩散轨迹,选择南海某油气田为研究对象,模拟油气泄漏后对海洋环境的影响,模拟数据可为溢油应急计划编制或现场应急处置提供技术支撑。     

Research developments in numerical methods of fluid-structure interactions in naval architecture and ocean engineering北大核心CSCD

流固耦合问题较为复杂,通常难以通过理论推导求得,而数值模拟则能提供一种有效的解决方案,并被广泛用于船舶与海洋工程领域。流固耦合数值方法根据其网格离散方式,可以分为贴体网格方法、非贴体网格方法、重叠网格方法和粒子类方法 4类,对这4类方法的特点及研究进展进行概述并总结得出:贴体网格方法和重叠网格方法均能精确捕捉界面的变形和演化,适合高雷诺数流动问题,在考虑结构变形时一般采用贴体网格方法,而考虑复杂几何形状的刚体运动时则常采用重叠网格方法;非贴体网格方法能够避免网格的更新操作,使计算较为简单,目前多用于模拟流动控制、水下柔性仿生航行器的研发以及多体运动干扰等问题;粒子类方法因其固有的拉格朗日属性,在模拟涉及自由液面剧烈变形、砰击、爆炸等强非线性流固耦合问题中发挥着重要作用。不同的流固耦合问题属性决定了不同方法的适用性,如何选取适合的数值方法,同时结合各类方法的优势开发新的计算方法以应对更为复杂的问题,是流固耦合算法开发的重要发展方向。     

水下航行体垂直发射筒口压力场L/E耦合数值模拟

采用Lagrange结构网格和Euler流场网格(L/E)耦合的数值仿真方法,对潜射航行器出筒后筒口压力场进行三维数值仿真分析。计算模型考虑海水的横向来流和航行体出筒过程对筒口气泡脉动的影响。仿真计算获得了筒口压力场气泡脉动主要特征,试验与计算的2个主要压力波峰曲线形状基本一致。通过对比计算表明,考虑横向流作用可以有效减少筒口压力场计算偏差。本文的计算方法及结论可为发射筒口压力场分析提供有益指导。     

Numerical simulation of viscous liquid sloshing by moving-particle semi-implicit method

A meshless numerical simulation method, the moving-particle semi-implicit method （MPS） is presented in this paper to study the sloshing phenomenon in ocean and naval engineering. As a meshless method, MPS uses particles to replace the mesh in traditional methods, the governing equations are discretized by virtue of the relationship of particles, and the Poisson equation of pressure is solved by incomplete Cholesky conjugate gradient method （ICCG）, the free surface is tracked by the change of numerical density. A numerical experiment of viscous liquid sloshing tank was presented and compared with the result got by the difference method with the VOF, and an additional modification step was added to make the simulation more stable. The results show that the MPS method is suitable for the simulation of viscous liquid sloshing, with the advantage in arranging the particles easily, especially on some complex curved surface.     

M—C屈服准则的应力场及其唯一性

基于三维问题的库仑屈服函数f,证明了max{f}=0就是M—C屈服准则，并获得了M—C屈服准则相应的应力分量表达式。得出了简化M—C屈服准则对应的应力分量表达式，这是表述岩土极限状态的一套完备的数学方程；和平衡方程一起构成极限分析问题的一套完备的基本方程。基于文中应力分量表达式与基于库仑屈服准则的极限分析是一致的，相应的应力场是唯一的。     

船用两级双排斜齿行星齿轮系统动力学方程的建立

单级行星传动的动力学模型及方程已有很多学者研究,但大型船舶中应用的两级双排斜齿行星传动动力学方程的研究还未见报导,为此文章建立了两级双排斜齿行星齿轮系统的弯扭耦合动力学计算模型,并计及啮合刚度、啮合综合误差、阻尼等影响因素;确定了第一级星形轮系和第二级行星轮系的弹性变形协调条件;对各个子结构进行力学模型的建立,并将变形协调条件代入各子结构力学方程,从而得到了整个系统完整、实用的动力学方程。     

含初缺陷损伤圆拱的动力屈曲

由Hamilton原理导出考虑初始缺陷及横向剪切变形时裂纹圆拱的动力屈曲控制方程;应用断裂力学中常用的线弹簧模型将裂纹引入到屈曲控制方程中;基于B-R动力屈曲判断准则,采用数值方法求解了受径向均布阶跃载荷作用时裂纹圆拱的动力屈曲;对比讨论了不同载荷幅值、裂纹长度、初始几何缺陷大小等因素对圆拱动力屈曲性能的影响.     

同步入水双圆柱相互作用的计算研究

为了研究多圆柱入水的相互影响,采用二维CFD方法数值模拟双圆柱同步常速入水物理过程.利用自由液面捕捉法来计算自由液面,将自由液面当作密度域的接触间断来处理,以非均匀密度的不可压缩Euler方程作为控制方程.采用直角切割网格作为离散网格系统和有限体积法进行数值离散,以人工压缩法来实现速度和压力的耦合求解.采用Roe的近似Riemann解算子计算流甬数和一阶隐式的双时间推进法进行时间步进.以三个不同参数的双圆柱入水作为算例,将数值模拟得到的自由液面形状、圆柱压强分布和受力时间历程与单圆柱入水的结果进行了比较.     

明渠交汇口水流浅水二维数学模型研究

针对明渠交汇口缓流流动特性,建立基于高性能有限体积数值方法、具有二阶精度的非恒定浅水二维水流数学模型。基本控制方程采用浅水二维水流方程;采用能够有效捕捉激波的高性能有限体积方法离散控制方程;采用了隐式方法处理阻力项,从而保证了模型的稳定性。采用非结构三角形网格系离散计算区域。最后,应用实测资料对两种模型进行了验证比较,结果表明该模型可模拟明渠交汇口基本流动特性,显示了对天然河流广阔的应用前景。     

面内流固冲击载荷下初缺陷矩形薄板的动力屈曲

取样条函数作为挠度试函数,运用加权残值法求得初缺陷矩形薄板动力屈曲的控制方程,采用四阶Runge-Kutta法求解该控制方程,并用Fortran语言编制了相应的计算程序。构造的B样条函数能适应板侧边上的任意弹性转动约束,讨论了初始几何缺陷、冲击载荷持续时间和弹性约束的影响。     

大涡模拟在河道平面二维水流模拟中的初步应用

通过丁坝对水流进行控制是航道整治中常用的工程措施,丁坝附近水流呈强紊动特性,大涡模拟相对于基于雷诺方程的时均模型对涡旋有较强的捕捉能力。在直角坐标系的基础上,将大涡模拟中的亚格子应力模型(SGS模型)引入河道水流平面二维数学模型中,通过盒式滤波函数将控制方程进行滤波,大尺度量通过控制方程直接求解,小尺度量借助Smagorinsky提出的亚格子尺度应力模型进行求解。采用空间等步长的正方形网格和交替方向隐式差分法对其控制方程进行离散求解。将模型初步应用于非淹没丁坝绕流的数值模拟中,计算结果表明,该模型对湍流旋涡的捕捉和水深计算较为合理,计算精度可满足工程实践要求。     

利用AGM求解粘弹性地基刚性梁的非线性控制微分方程（英文）

In the present paper a vibrational differential equation governing on a rigid beam on viscoelastic foundation has been investigated. The nonlinear differential equation governing on this vibrating system is solved by a simple and innovative approach, which has been called Akbari-Ganji’s method(AGM). AGM is a very suitable computational process and is usable for solving various nonlinear differential equations. Moreover, using AGM which solving a set of algebraic equations, complicated nonlinear equations can easily be solved without any mathematical operations.Also, the damping ratio and energy lost per cycle for three cycles have been investigated. Furthermore, comparisons have been made between the obtained results by numerical method(Runk45) and AGM. Results showed the high accuracy of AGM. The results also showed that by increasing the amount of initial amplitude of vibration(A), the value of damping ratio will be increased, and the energy lost per cycle decreases by increasing the number of cycle. It is concluded that AGM is a reliable and precise approach for solving differential equations. On the other hand, it is better to say that AGM is able to solve linear and nonlinear differential equations directly in most of the situations. This means that the final solution can be obtained without any dimensionless procedure.Therefore, AGM can be considered as a significant progress in nonlinear sciences.     

水下拖缆抛物构型分析研究(英文)

This article discusses the dynamic state analysis of underwater towed-cable when tow-ship changes its speed in a direction making parabolic profile path. A three-dimensional model of underwater towed system is studied. The established governing equations for the system have been solved using the central implicit finite-difference method. The obtained difference non-linear coupled equations are solved by Newton's method and satisfactory results were achieved. The solution of this problem has practical importance in the estimation of dynamic loading and motion, and hence it is directly applicable to the enhancement of safety and the effectiveness of the offshore activities.