邓方刚[1]2002年在《柱坐标系下光滑粒子流体动力学数值模拟》文中研究指明对柱坐标系下二维轴对称问题的光滑粒子流体动力学(SPH)数值模拟方法进行了理论研究、程序设计和算例分析，主要研究内容有：调研了大量的SPH方法相关文献，系统地概述了该方法的理论基础及发展现状和趋势；推导了柱坐标系下的二维轴对称SPH相关计算公式，整理出一整套柱坐标系下SPH计算方法；用FORTRAN语言编制了含弹塑性效应的二维轴对称SPH计算程序，对一系列高速撞击问题进行了数值模拟，包括长杆弹和短杆弹对薄靶的穿孔模拟、长杆弹和短杆弹对中厚靶的侵彻和贯穿模拟、不同弹速下靶板的破坏程度比较及长杆弹对厚靶的高速侵彻模拟：对于弹对薄靶板穿孔后的剩余速度及长杆弹对厚靶的侵彻深度和剩余杆长进行了近似的理论分析，并与数值模拟结果进行了比较。 研究结果表明，我们所用柱坐标系下SPH计算方法合理，所编制的计算程序可行，对弹靶侵彻过程的模拟图像基本合理。
王永鹏[2]2009年在《光滑粒子流体动力学算法研究及其在流体力学中的数值模拟应用》文中研究表明光滑粒子流体动力学(SPH)方法是一种完全无网格、纯拉格朗日的粒子法,其优点在于对流项直接通过粒子运动来模拟,完全消除自由界面上的数值发散,且完全不需要网格,免去了网格生成的麻烦,更避免了网格扭曲与网格重构问题,能够十分方便地模拟具有大变形的流动问题,尤其在解决具有大畸变、运动物质交界面以及变形边界和自由表面问题时优势明显。基于以上优点,光滑粒子流体动力学(SPH)方法是一类很有潜力的数值计算方法,近年来得到了学术界的广泛关注。本文主要对光滑粒子流体动力学(SPH)方法的数学模型和数值算法进行研究并通过具体的数值应用算例对其理论进行验证,具体内容如下:(1)系统介绍了网格数值模拟方法和无网格数值模拟方法,论述了SPH方法基本思想、基本方程。针对流体力学问题的求解,给出了SPH方法数值模拟计算详细的计算流程,并将其依次展开,对每一步骤都进行了详细的阐述。(2)论述了SPH方法在基于Navier-Stokes方程的流体动力学问题中的应用,通过对Navier-Stokes方程进行空间离散化推导了在笛卡尔直角坐标系、柱坐标系及球坐标系下的适用于流体动力学的SPH控制方程,建立了流体动力学中的SPH数学计算模型,为了使其与二维Fortran程序很好的衔接,对SPH数值算法进行了深入的研究,归纳总结了SPH方法所包含的各类数值算法的优点、缺陷以及适用范围。(3)在二维流体动力学SPH方法控制方程的基础上,用Fortran语言编制了二维SPH方法数值计算程序,对两平行平板间流体的恒定运动泊肃叶流和库埃特流进行了数值模拟,并通过相同模型相同参数条件下的理论解析解和Flow_3D软件基于有限差分方法(FDM)的数值模拟计算结果从理论角度上对SPH数学模型、数值算法及二维SPH方法数值计算程序进行了验证。(4)将SPH数值模拟方法应用于对由堰流模型、闸孔出流模型、水跃模型、水舌碰撞模型、绕物流动模型及液体晃荡模型组成的混合模型进行了数值模拟,并对其所涉及的理论模型逐一进行了介绍和模拟运算,然后又通过Flow_3D数值模拟软件对相同计算模型及参数条件下流体的流动情况进行模拟,将二者数值模拟结果进行比对分析,实现了从应用的角度上对二维SPH数学模型、数值算法和二维SPH计算程序的验证。为今后将SPH数值模拟技术应用于解决更加复杂的流体力学问题奠定了基础,提供了理论和技术上的支持。
焦培刚[3]2010年在《基于SPH的流体仿真数值算法及工程应用研究》文中研究指明计算机数值仿真逐渐成为解决现代工程和科学问题的一条重要途径。数值仿真能为理论提供测试和检验,有助于对复杂的物理问题加深认识,甚至还能帮助解释和发现新现象。基于网格的数值方法虽然已经有广泛的应用,但是在很多方面仍存在不足之处,比如在计算流体动力学中的大变形、运动物质交界面、自由表面等问题时,由于网格产生畸变导致计算误差过大或无法进行,从而使其在许多问题的应用上受到限制。近年来,无网格法倍受关注,这种方法在许多应用中都优于传统的基于网格的有限元法、有限差分法以及有限体积法等数值方法。本文依托山东大学虚拟工程研究中心和新加坡国立大学ACES实验室,系统地研究了新一代无网格方法—光滑粒子流体动力学方法(SPH)在应用及扩展过程中的相关关键技术,实现了SPH方法的两相耦合应用和叁维应用,在此基础上对叁维管道气力输送过程进行了数值仿真,扩展了SPH方法的工程应用领域,为SPH方法真正辅助试验创造了条件,具有重要的理论和应用价值。论文的主要内容如下：系统总结了基于网格的数值方法,指出其在很多方面存在不足之处,由于网格畸变而使其在许多问题的应用上受到限制,在此基础上,详细分析了新一代无网格法—光滑粒子动力学方法的基本思想和求解问题的过程,由于问题域粒子之间没有任何连接,运算中使用的粒子取决于当前局部分布的粒子,得出了SPH方法的无网格属性和自适应性。系统分析了拉格朗日型的Navier-Stokes方程,应用SPH粒子近似法推导出了Navier-Stokes的密度方程、动量方程和能量方程的SPH表达式。研究了流体动力学SPH数值计算中的关键技术,指出了为了使算法适合模拟不同的流体特性问题,必须对算法进行特别地处理。在SPH方法中有两种方式对密度进行展开：一种是密度求和法,另一种是连续密度法。虽然密度求和法所需要的计算量大,但因为密度求和法体现了SPH近似法的本质,所以使用得较为广泛。连续性密度法主要用于仿真具有强间断的问题。在SPH方法中,用核函数来近似狄拉克δ函数,分析了在实际应用中常用的两种核函数：高斯核函数和叁次样条核函数。在SPH的应用中,边界条件的处理既是该方法的优点,也是目前的薄弱环节。研究了处理固定边界条件的两种类型的虚粒子,第一种类型的虚粒子设置在固定边界上,第二种类型的虚粒子分布在边界的外部,通常在边界条件不断变化的场合下使用。第二种类型的虚粒子按以下的方式构造,即给定一个实粒子i,则在边界外与实粒子对称处分布一个虚粒子,这些虚粒子具有与相对应实粒子相同的压力和密度,但速度方向相反。为了避免数值震荡,提高算法的稳定性,防止粒子间相互接近时的非物理穿透,在SPH方法的动量方程中引入了人工粘度来进行修正。本文使用跳蛙法进行时间积分,跳蛙法的优点是计算时所需要的存储量低,而且在每一次计算中只需要进行一次优化估值。给出了SPH算法的程序结构,SPH的基本方法和SPH中其它数值方面的伴随算法使得SPH程序具有一些特殊性质。这些特殊性质都包含在时间积分过程的主循环中。对腔内剪切流动问题、冲击管问题相关算例进行了研究,测试了SPH方法在不同的流体动力学问题中的实用性,对于以上问题,SPH方法均可得到令人满意的结果。在分析SPH方法单相流基本原理和离散思想的基础上,提出了SPH的两相耦合流动仿真方法。由于SPH方法不需要背景网格,是一种纯无网格方法,在对问题进行粒子离散化的过程中,布置的粒子本身具有物理属性,因此,只要能够正确处理具有相同或者不同属性的粒子之间的相互作用,通过整体粒子的运动分布就能够辨析出不同物质之间的交界面,这样也就能够描述具有不同属性的两相流体的运动情况。在SPH两相耦合流动仿真中,可以通过将固体相或液体相离散为与气体相一样的SPH粒子,但其上携带的是固体相或液体相的物理属性来实现。研究了保证SPH两相耦合流动数值仿真过程正常进行需要做的技术改进。将密度正则化引入SPH两相耦合流动数值仿真方程,解决了两相流体交界面附近由于密度差异过大导致的边界效应,提高了密度不同或不连续的两相流体交界面处的精度。研究了SPH两相耦合流动中的人工状态方程,通过在两相耦合流动中密度小的物质的状态方程中添加气体内聚力项,解决了密度较小的粒子的逃逸问题。研究了SPH两相耦合流动中的速度修正,引入XSPH中的速度修正方法,防止了粒子间的相互穿透,使得到的两相耦合流动交界面更加清晰和光滑。综合使用SPH两相耦合流动方法,实现了气泡上浮和溃坝两相流动的数值仿真,得到的结果验证了本文提出的SPH两相耦合流动方法的正确性和可行性。实现了SPH方法在叁维流体流动中的技术应用。分析了全配对搜索法和链表搜索法,将Bucket搜索优化算法和树形搜索优化算法引入到SPH方法中,并给出了程序实现,有效地提高了光滑粒子法的计算效率。深入研究了粒子对的相互作用,由于粒子间的相互作用是基于点对点方式的,因此可在SPH仿真分析中应用成对相互作用法来提高计算效率和节省存储空间。成对相互作用法是通过应用最近相邻粒子搜索法来实现的,并为之后进行的SPH求和法存储必须的数据。研究了提高计算结果精度的几种方法：在对核近似连续性理论分析的基础上,提出了初始粒子的配置方法,须尽量将粒子均匀分布,并且使所有粒子质量相同或者质量呈连续变化；采用一种简单高效的基于密度变换的可变光滑长度技术；对光滑长度进行优化和松弛更新,给出了优化和松弛过程的步骤和参数,有效解决了现有SPH方法在处理叁维流体流动过程中计算误差大的问题。应用SPH方法实现了叁维管道气力输送过程的数值仿真,分析了影响管道气力输送过程的主要因素,推导了粒子速度和输送气体速度的关系,提出了拟合方法。研究了气力输送过程中管道边界的实现方法,给出了使用应变率及应力的迭代近似法求解粘性力的方法,并分析了管道中输送物料的分布及压力情况。提出了管道边界层流效应的仿真方法：通过设置边界虚粒子和实粒子的粘度参数,而在管道中部的粒子并不设置粘度参数,按无粘处理,能够模拟边界层流效应。输送过程中气流碰到刚性壁面后将产生壁面热量,研究了壁面热量能量转换,给出了考虑人工热量条件下的SPH能量方程。合理简化影响要素,综合运用前面的相关技术,实现了管道输送问题的SPH程序原型。研究了管道气力输送SPH数值仿真方法的VC++实现技术,由于Fortran具有接近数学公式的自然描述,并且计算精度高,在计算机里具有很高的执行效率,是目前流行较广的一种面向过程的适用于科学计算的高级语言,因此整个SPH程序实现选用Fortran来编写,但是它在实现人机对话、交互处理方面不很理想,界面也不够美观,图形处理功能也比较欠缺。VC++是目前个人计算机上深受欢迎的面向对象的程序设计环境。VC++具有强大的功能,但在科学计算方面实现起来却比较复杂。因此,用VC++和Fortran进行混合编程可以编制出具有友好界面和良好计算功能的程序。本文通过综合运用SPH基本原理,SPH两相耦合流动方法,SPH叁维仿真技术,实现了气力输送过程的SPH数值仿真,在保持计算效率的基础上,通过VC++调用Fortran生成的动态链接库(.dll)文件,实现了SPH程序的交互功能。综上所述,本文提出的SPH两相耦合流动仿真方法,将SPH方法延伸到了两相耦合流动中,完善了现有的光滑粒子流体动力学应用理论。本文实现了SPH方法在叁维仿真流动中的应用,将树形搜索优化算法引入到SPH方法中,有效地提高了光滑粒子法的计算效率,特别是在粒子数量较多的时候,计算效率优势更加明显。本文给出了提高计算结果精度的几种方法。首次将SPH方法应用在叁维管道气力输送仿真中,扩展了SPH方法的工程应用领域,给出了考虑粘性和壁面热量转换的计算方法,分析了管道中输送物料的分布及压力情况,提出了管道边界层流效应的仿真方法。在保持计算效率的基础上,通过VC++调用Fortran生成的动态链接库文件,实现了SPH程序的交互功能,为SPH方法真正辅助试验创造了条件。这些工作具有重要的理论和工程应用价值。本课题得到了国家建设高水平大学公派研究生项目(留金出[2007]3020)的支持。
李芮宇[4]2017年在《计及热传导的冲击动力学数值方法研究》文中进行了进一步梳理建立在严格物理模型和数学推导基础上的数值计算成为当前科学研究与工程设计中的重要手段。关于冲击动力学问题的数值计算方法、程序及软件均得到了很大的发展,但是仍有一些问题值得深入研究,其中之一就是冲击过程中的热传导。在既往的冲击动力学问题如侵彻、绝热剪切的数值模拟中,往往认为冲击过程十分短暂,热传导对计算产生的影响很小,从而可忽略不计,也即以绝热模型来处理冲击温升。然而,热传导因素究竟能对计算产生多大的、怎样的影响,很少有文献进行系统地研究。通常,冲击动力学问题涉及到高温高压大变形,能量会高度集中在局部位置,比如弹靶界面或靶板绝热剪切区域内,热传导必然会影响能量的分布,进而引起材料力学性能的变化。因此,在数值计算中考虑热传导的影响,模拟结果更加符合物理事实,更具有工程指导意义。基于以上目的,本文在系统地研究了有限元(Finite Element Method,简称FEM)、光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,简称SPH)和有限元光滑粒子耦合(FEM-SPH)方法的基础上,将热传导分别引入到有限元、SPH和FEM-SPH方法中,建立了相应的计及热传导的冲击动力学数值模型,并对典型的冲击动力学问题进行了热力耦合计算,分析了热传导对计算产生的影响。具体研究内容及结果如下:第一,开展了计及热传导效应的冲击动力学有限元方法研究。考虑到冲击动力学有限元方法和瞬态热传导有限元方法在温度计算上的矛盾,提出了“冲击温度背景网格法”,将瞬态热传导嵌入到冲击动力学有限元程序中,形成了考虑热传导效应的冲击动力学有限元方法。基于新开发的计及热传导因素的冲击动力学有限元程序,分别对泰勒杆撞击、钨合金梯形试件的绝热剪切过程进行了热力耦合计算。通过与传统绝热模型计算结果进行对比发现:热传导对温度计算的影响较为显着,其表现在(1)对于泰勒杆撞击计算,绝热模型高估了撞击过程中材料的最大温升和温度梯度;(2)对于梯形件绝热剪切计算,绝热模型同样过高估算了剪切带的最高温度和温度梯度,并且对剪切带发生时刻的估算也较早。第二,开展了计及热传导效应的冲击动力学SPH方法研究。基于核估计与粒子近似原理对连续介质力学守恒方程组和瞬态热传导方程进行了离散化处理。接着,将热传导项直接引入到能量控制方程,实现了 SPH方法下计及热传导效应的冲击动力学数值计算。另外,基于计及热传导效应的冲击动力学SPH程序,分别对长杆弹侵彻、平头弹对有限厚金属靶的冲塞剪切过程进行了变傅里叶数计算,并得到以下结论:(1)热传导对材料内部温度分布的影响会随着傅里叶数的增加变的明显;(2)当傅里叶数增加时,热传导对长杆弹侵深的影响始终较小,但是对平头弹冲塞剩余速度的影响变的越来越明显。第叁,开展了 FEM-SPH耦合下的考虑热传导效应的冲击动力学计算方法研究。对于这一研究问题最关键的是:当有限元算法和SPH算法共存时,该如何进行全域的热传导计算。本文提出的处理方法是在传统的FEM-SPH耦合方法的基础上,加入了光滑粒子法热传导计算部分,具体的分两步进行:①按传统的FEM-SPH耦合方法计算冲击过程的力学响应;②将模型的有限元部分等效为虚粒子,与模型的SPH粒子共同组成光滑粒子热传导计算域,以此进行传热计算。采用上述方法将热传导嵌入到传统的FEM-SPH耦合程序中,形成了计及热传导的FEM-SPH耦合程序。然后,基于新的耦合程序,分别对长杆弹侵彻和平头弹冲塞剪切问题进行了数值计算,检验了耦合算法中热传导计算的可行性与可靠性,为冲击过程中热传导问题的研究提供了新的思路。综上所述,热传导因素对冲击动力学数值计算的结果有一定的影响,特别是在某些情况下,热传导因素对计算结果的影响显着,不可忽视。因此,在冲击数值计算中考虑热传导是十分必要的。而且,在数值计算过程中考虑热传导,会使得数值计算结果更加准确地反映物理事实。本文工作能为冲击动力学过程中传热问题的研究提供参考。
朱艳明[5]2012年在《电热化学炮内弹道过程无网格法数值模拟》文中提出电热化学炮(ETCG)内弹道过程异常复杂,涉及两相流动力学、传热学、燃烧学、化学动力学、湍流力学、爆轰学等诸多学科,其中还存在多种物理强间断问题,如爆轰波、激波火焰波以及传火孔高速射流等,又由于装药结构和初始装填条件的原因造成药筒间的间隙及弹后自由空间等不连续问题从而形成空间上强间断面。这些物理间断和空间间断给传统的基于网格的数值模拟方法的应用带来了很大的困难。而无网格法最大的优点在于它不需要在问题域中划分网格,这就摆脱了不连续性对问题的束缚(如网格的重构等),保证了求解精度。光滑粒子流体动力学(SPH)数值模拟方法是一种无网格粒子法,它在流体力学和固体力学领域都有广泛的应用,比如在弹性流、磁流体力学、多相流动和金属成型模拟等方面。SPH方法的另外一个重要应用是模拟高能炸药燃烧爆炸现象,是瞬态物理领域新的重要的一种数值模拟方法。本文用SPH方法对固体化学工质电热化学炮的内弹道过程进行数值模拟,这是一个二维轴对称气-固两相流瞬态物理过程。在结合流体力学基本方程组与电热化学炮内弹道基本假设的基础上,用Fortran语言编写了内弹道过程SPH计算程序,对内弹道的一些重要参数,温度、压力和空隙率等随时间、空间的变化进行了模拟分析。计算结果表明,用SPH法编写的内弹道计算程序可行,其结果与实验数据基本吻合。
殷建伟[6]2008年在《基于核近似的无网格计算方法》文中提出基于核近似的无网格方法是一种纯拉氏计算方法,其典型代表为光滑粒子流体动力学方法(SPH)。SPH方法通过核函数进行核近似估计,在计算域的边界附近,核估计的精度会明显下降。重构核粒子方法(RKPM)通过校正函数对核函数重新构造,能够提高核近似在边界点和内点上对函数的估计精度和计算稳定性。研究发现,虽然重构核粒子方法的校正函数的构造立足于对函数的精确估计,但这个优势同样能在对函数导数的估计中继续保持,并给出了理论分析证明。本文通过理论研究和对数学模型和物理模型的计算分析,展示了重构核粒子方法的改进效果,同时揭示了该方法能够提高计算精度的原因。本文还简要介绍了另外两种对SPH的改进方法:CSPM方法和MSPH方法,并比较了它们与RKPM方法的联系和差别。另外,本文推导了柱坐标系和球坐标系中的SPH和RKPM方法,得到了核函数的计算式和核近似公式,并通过对数学模型的计算分析,验证了RKPM对SPH的改进效果在柱坐标系和球坐标系中依然有效。
陈海舟[7]2008年在《不可压自由表面流的SPH法数值模拟研究》文中研究表明不可压自由表面流问题主要是指与大气存在交界面的水流问题,在该交界面上,物理量会发生间断或不连续的变化。在船舶与海洋工程、水利工程、机械工程、石油化工及土木工程中,均存在大量的此类问题,因此对不可压自由表面流问题进行研究具有极为重要的工程意义。SPH法是一种完全无网格、纯拉格朗日的粒子法,其优点在于对流项直接通过粒子运动来模拟,完全消除自由界面上的数值发散,保证了自由液面追踪的准确性,且完全不需要网格,免去了网格生成的麻烦,更避免了网格扭曲与网格重构问题,能够十分方便地模拟具有自由液面大变形的流动问题。现有的研究工作已经使SPH法在自由表面流中的应用取得了较大的进展,但是仍然存在许多不足之处,本文即做进一步的研究,以推进该方法在不可压自由表面流中的应用。在基本理论方面,本文详细论述了SPH法基本思想、函数及其一、二阶导数的SPH积分表示方法,以及函数的SPH法粒子近似,建立了SPH法基本方程;对核函数、支持域与影响域等基本概念进行了分析,并阐述了MSPH法的基本原理和计算公式。然后在质量、动量、能量守恒的基础上得到笛卡儿坐标系、柱坐标系及球坐标系下的Lagrange型流体运动N-S方程,通过对该方程进行SPH空间离散,全面推导了各种坐标系下适用于广义流体动力学的SPH控制方程。在二维流体动力SPH法控制方程的基础上,研究了非冲击性不可压自由表面流SPH法数值模拟相关技术,其中首次详细讨论了初始布点方法与粒子间相互作用对称性问题,并提出了将SPH边界处理方法与一般流体流动数值模拟边界处理方法相结合的思想。通过液体受迫晃荡算例验证了所研究的数值技术的有效性。针对弱冲击性自由表面流问题的特点,根据MSPH法建立了修正后的二维SPH法流体控制方程,并对相关SPH法数值技术做了研究。通过溃坝算例对其合理性做了验证。对具有强冲击特性的自由表面流问题的SPH法数值模拟的实现做了深入研究。首先建立了引入黎曼解法的SPH流体控制方程以考虑强冲击性流动数值解的间断性,然后对SPH法相关数值技术进行了研究,其中提出了新的自由表面粒子确定方法,并首次在自由表面流SPH法模拟中考虑了张力不稳定性问题及人工应力项。最后通过液滴冲击液面算例,验证了所建方程及数值技术在强冲击性流动问题数值模拟中的有效性,并首次实现了液滴冲击液面问题的SPH法数值模拟。
卞梁[8]2009年在《高速碰撞中的SPH方法及其应用研究》文中进行了进一步梳理光滑粒子法作为一种无网格方法,在解决各种计算力学问题时获得了广泛应用。与传统有限元或有限差分法相比,光滑粒子法在计算一些涉及大变形的冲击力学问题时,具有其独特的优势。本文较为系统和全面地介绍了光滑粒子法的理论基础和离散过程,从提高其计算效率和计算精度出发,对自适应算法、分区算法、以及耦合算法开展了比较系统的研究和探讨。通过对算法的不断改进和完善,使其更适于计算各类冲击力学问题。同时还开展了光滑粒子法的工程应用研究,通过层裂和高速碰撞计算实例,充分显示了光滑粒子法在冲击力学数值计算中的能力及其工程实用价值。首先根据插值理论,导出了光滑粒子法中函数及其空间导数的核估计及其离散形式,给出了连续介质力学守恒方程组的SPH离散格式。此外,还讨论总结了光滑粒子法中的一些基本问题,如核函数的形式、光滑长度的确定、近邻粒子的搜索、本构关系的嵌入等。给出了光滑粒子法的计算流程。接着采用改进的光滑粒子法对飞板碰撞下一维应变波的传播及其在界面的反射进行了数值模拟,得到了与解析解较为一致的计算结果。通过引入铝锂合金本构模型和损伤演化方程,对铝锂合金的层裂实验开展了数值模拟,计算得到的自由面速度时程曲线与实验曲线比较吻合,说明改进的光滑粒子法在自由面的计算精度足以描述材料的动态断裂现象。然后开展了光滑粒子法自适应算法的研究。在一维应力波计算中提出了在波阵面自动添加粒子,波后自动删除粒子的自适应算法,有效提高了波阵面的计算精度;在二维高速碰撞计算中,提出了根据粒子间距自动添加和自动合并粒子的自适应算法,有效制止了计算中出现的数值破坏现象,提高了程序仿真能力和计算精度。为了提高光滑粒子法的计算效率,开展了光滑粒子法分区算法研究。在分区计算中,整个计算域被划分为不同的区域,在可能发生大变形的区域布置较密的粒子,而其它区域布置较稀的粒子,既保证了计算精度,又提高了计算效率。提出了解决分区界面两侧粒子耦合计算的方法,保证了计算的稳定性。根据分区计算中粒子分布的特点,提出了分区背景网格搜索算法,提高了粒子搜索效率。最后本文对光滑粒子法与有限元法相结合的耦合算法的工程应用开展了研究。对耦合算法中粒子与有限元交界面上的接触滑移计算进行了修正和完善。通过在程序中嵌入陶瓷和金属材料的本构模型,对陶瓷复合靶抗长杆弹侵彻实验进行了数值模拟,计算得到的侵彻深度和实验结果比较一致,验证了程序的有效性和本构模型的合理性,充分体现了耦合算法的工程实用价值,为算法的进一步推广应用奠定了基础。
杨文山[9]2011年在《水下接触爆炸舰船局部毁伤及防护机理》文中研究说明水下爆炸可在极短的时间内释放出巨大热量，其产生的高压冲击波及气泡脉动可使舰船等水中结构物发生毁灭性破坏。由于重要的军事意义，西方海军强国投入了大量的人力物力财力研究水下爆炸理论及相关数值技术，形成了比较成熟的水下非接触爆炸数值分析方法，并将这些方法集成于ABAQUS等商业软件中。然而，水下接触爆炸具有大变形、运动物质交界面、自由面、高度非均匀性等特征，采用上述软件集成的网格算法对其进行模拟时容易因网格的高度畸变导致计算结果的错误。为克服网格方法固有的网格畸变问题，许多学者开始用具有粒子性质和拉格朗日性质的光滑粒子流体动力学（SPH）方法模拟水下爆炸，并取得了一定成果。然而，由于水下接触爆炸物理过程的复杂性，对其整个过程的模拟技术尚不成熟，仍有许多机理性问题需要解决。为此，本文首先对舰船水下爆炸及SPH方法的研究现状进行了综述，通过综述发现：对水下接触爆炸的模拟仍主要采取网格方法，用SPH方法模拟水下接触爆炸的研究极少；我国对舰船防雷舱仅局限于理论和试验研究，难以定量分析各层的防护作用，对防雷舱的衰减效果和防护机理认识不清；自由面及海底对冲击波反射效应的研究还仅局限于定性分析，国内对工程计算中海底反射系数等参数的选取仍存在认识上的不一致；用SPH方法模拟水下爆炸还仅局限于二维情况，采用SPH方法或对称SPH方法模拟叁维水下爆炸的研究十分罕见；SPH方法对水下爆炸的模拟主要集中在冲击波阶段，一直缺乏水下爆炸冲击波、气泡脉动、射流全过程模拟的相关研究。本文针对上述问题，以工程应用需求为牵引，通过改进SPH的计算方法，重点研究舰船接触爆炸毁伤机理、舰船防雷舱防护机理、边界对冲击波的反射效应以及叁维水下爆炸全过程的数值模拟。针对标准SPH方法无法模拟大密度比多相流的现状，提出了基于体积近似的修正SPH方法，建立了修正SPH方法数值模型。针对传统变光滑长度需多次迭代才可保证精度的缺点，提出了计算效率较高的完全变光滑长度算法。通过锥形装药爆炸驱动金属射流的算例表明：修正SPH方法相比标准SPH方法可以解决高速、强压缩、高密度比的多相流问题，且修正SPH方法相比网格方法具有程序简单、计算量小的特点；完全变光滑长度计算方法的计算效率远高于传统变光滑长度方法，可保证计算精度的同时大量节省计算时间。以上模型可应用于水下接触爆炸毁伤、防雷舱结构防护、近边界爆炸等高密度比、强冲击、且密度变化较为剧烈的数值模拟中。以舰船、潜艇受鱼雷接触爆炸攻击为工程背景，建立了单层壳结构接触爆炸和双层壳结构接触爆炸简化模型，采用修正SPH方法对简化模型进行了数值模拟，再现了水下接触爆炸作用下冲击波传播及钢板的毁伤过程。研究发现：钢板的破坏缘于TNT爆炸产生的强冲击波，其破坏模式随钢板厚度的增加大致经历了从“云状”碎片破坏到冲塞破坏再到开裂破坏的过程，由此得到舰船水下接触爆炸的破坏模式为“云状”破片破坏。此外，当冲击波传播至背空钢板处时，高阻抗的钢板会反射冲击波，进而加强直达冲击波的作用或形成冲击波二次峰值，而低阻抗的空气会反射稀疏波，迅速衰减冲击波压力，形成冲击波的“切断”现象，这种加强和削弱作用同时存在于背空钢板附近的水域中，在潜艇、船体的结构设计等工程应用中需得到重视。根据舰船防雷舱的结构特点，抽象了膨胀舱和吸收舱防护机理的计算模型，采用修正的SPH方法分别模拟了膨胀舱对爆炸冲击波的衰减过程和吸收舱对高速弹片的衰减过程，通过膨胀舱和吸收舱参数对衰减效果影响规律的定量研究，可得到的结论和建议为：舰船防雷舱中的膨胀舱利用空气的低阻抗可有效衰减冲击波，接触爆炸作用下，当膨胀舱厚度和爆炸厚度相等时可达到较好的衰减冲击波效果，使冲击波压力峰值降低55%左右，继续增加膨胀舱的厚度对冲击波衰减效果的影响减小，可根据此原则对膨胀舱厚度进行设计。舰船防雷舱中的吸收舱利用水的低压缩性可有效衰减高速弹片，弹片速度随运动时间和运动距离均基本呈指数衰减，且吸收舱宽度的增加有利于降低高速冲击产生的冲击波压力，因此在防雷舱结构设计时，应尽量增加吸收舱的宽度；此外，增加液舱外板的厚度对衰减高速弹片的效果并不明显，因此可按普通舱壁设计液舱外板。根据近自由面爆炸和沉底爆炸载荷难以确定的工程需求，采用SPH方法再现了近自由面水下爆炸和沉底爆炸的物理过程，研究了近自由面爆炸和沉底爆炸的载荷特征。对于近自由面水下爆炸，自由面反射的稀疏波仅在非规则反射区降低冲击波压力峰值，而近自由面爆炸的大部分区域为规则反射区，其切断效应不影响冲击波压力峰值，但会大幅衰减冲击波冲量。对于沉底水下爆炸，海底泥沙的反射会增强冲击波，工程中计算沉底爆炸载荷时，可取海底的反射系数为1.2。建立了叁维SPH数值模型，并用SPH方法对叁维水下爆炸问题进行了数值模拟，模拟的冲击波传播过程符合水下爆炸的基本理论，且计算的冲击波压力峰值、衰减趋势和Zamyshlyayev经验公式值吻合良好。和CEL网格方法的比较表明，SPH方法在求解水下爆炸问题时具有更高的精度，相比网格方法有较大优势，可为叁维水下爆炸的工程应用提供技术基础。分别基于球坐标系、柱坐标系、笛卡尔坐标系推导了球对称、轴对称、平面对称SPH的光滑函数表达式及控制方程的离散形式，建立了球对称、轴对称、平面对称的SPH数值模型，在该数值模型中，提出镜像粒子算法解决粒子穿透对称轴的问题，经过水下爆炸算例的验证表明，该模型克服了模拟水下爆炸时靠近对称轴的粒子穿透对称轴的非物理现象，在对称轴附近时仍具有较高的精度，且得到的冲击波压力时程曲线和Zamyshlyayev经验公式值吻合良好，较其他对称SPH模型有明显优势，可进一步应用于水中兵器设计、舰船水下爆炸等工程问题中。针对水下爆炸不同阶段物理特征不同的特点，充分利用BEM方法和SPH方法的优势，模拟了圆柱形装药水下爆炸冲击波传播、气泡脉动、气泡射流的全过程，实现了两种方法的结合。基于轴对称SPH方法实现了气泡射流阶段的数值模拟，计算结果符合气泡射流基本规律，且计算值和实验值基本吻合，证明了轴对称SPH方法模拟气泡射流的可行性，克服了BEM方法模拟气泡射流时需要特殊的人工干预及数值光顺技术的弊端。
吕富珍[10]2017年在《微成型碟式塑化单元的数值模拟及其应用研究》文中进行了进一步梳理以往的微成型注塑机的塑化单元一般采用柱塞式或者单螺杆式,但柱塞式塑化部分的混合质量较差,塑化效果欠佳,小型塑化螺杆存在加工稳定性较差、结构强度不足、寿命有限、不易输送物料以及热敏感性物料加工不易等缺点。碟式螺杆是碟式塑化单元中塑化的关键零件,因无法建立大的熔融压力,因而未能运用于传统的注塑机,而微成型注塑机所需要的塑化能力和熔融压力的要求不高,故碟式螺杆在微成型注塑机运用的可行性较高。本文的主要研究内容如下:第一章介绍微成型注塑机的研究现状,综述国内外碟式螺杆塑化理论及其成型设备的研究进展,概括基于计算机流体动力学(Computational Fluid Dynamics)的螺杆塑化过程数值模拟的研究现状,包括螺杆叁维流动的数值模拟和螺杆混合性能的数值模拟,确定论文的研究意义、内容与组织架构。第二章讨论确定碟式螺杆几何结构参数和端面曲线方程,根据相似性原理和生产率计算两个功能相似、运动相似的碟式螺杆和单螺杆之间的相似度;基于二者之间的相似关系,以及长螺杆各功能段几何结构参数求解的方法,分析碟式塑化单元各功能段长度、深度、压缩比以及螺棱宽度的取值范围;基于直径和产量确定了端面的曲线方程式;采用solidworks软件建立碟式塑化单元的叁维模型。第叁章分析碟式螺杆的工作原理和流动模型,根据柱坐标下的运动时变方程和物料的流变学理论,构建本文数值模拟分析所需的本构方程;考虑到运动复杂不利于模拟的情况,对熔体的运动做了一些简化,并基于简化后的模型,分析碟式塑化单元中熔体的流动规律,推导出在拖拽和压力作用下的速度方程和流量方程。第四章建立碟式螺杆的叁维几何模型,对叁维模型进行了网格划分。利用用户自定义函数(UDF)定义数值模拟的材料参数和边界条件,利用FLUENT完成碟式塑化单元熔体输送段的数值流动模拟。从熔体入口到出口处选取了四个螺旋槽的横截面,分析熔体在不同横截面上的速度、压力、温度和剪切力的分布情况,并分析碟式螺杆的转速对塑化性能的影响。第五章采用正交试验方法和CFD数值模拟方法,建立几种不同参数组合的碟式螺杆的几何模型并对该模型进行仿真分析,提取仿真分析的质量流率、最大剪切应力和温差作为正交试验的试验指标,采用极差法分析正交试验结果,最终确定微成型注塑机的碟式螺杆几何结构参数的最优组合结果。最后,以剪切速率、停留时间分布(RTD)和混合指数为指标,采用示踪粒子法(PTA)对碟式螺杆的混合性能进行分析,对比结果表明,碟式螺杆的转速越大,停留时间分布函数(RTD)越佳,碟式螺杆的分布混合性能和分散混合性能越好。第六章对论文中的研究工作进行总结,指出了研究过程中的缺陷,并对需要进一步研究的内容进行了展望。
参考文献：
[1]. 柱坐标系下光滑粒子流体动力学数值模拟[D]. 邓方刚. 国防科学技术大学. 2002
[2]. 光滑粒子流体动力学算法研究及其在流体力学中的数值模拟应用[D]. 王永鹏. 天津大学. 2009
[3]. 基于SPH的流体仿真数值算法及工程应用研究[D]. 焦培刚. 山东大学. 2010
[4]. 计及热传导的冲击动力学数值方法研究[D]. 李芮宇. 南京理工大学. 2017
[5]. 电热化学炮内弹道过程无网格法数值模拟[D]. 朱艳明. 南京理工大学. 2012
[6]. 基于核近似的无网格计算方法[D]. 殷建伟. 中国工程物理研究院. 2008
[7]. 不可压自由表面流的SPH法数值模拟研究[D]. 陈海舟. 天津大学. 2008
[8]. 高速碰撞中的SPH方法及其应用研究[D]. 卞梁. 中国科学技术大学. 2009
[9]. 水下接触爆炸舰船局部毁伤及防护机理[D]. 杨文山. 哈尔滨工程大学. 2011
[10]. 微成型碟式塑化单元的数值模拟及其应用研究[D]. 吕富珍. 浙江大学. 2017