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爆轰波在炸药-金属界面上的折射分析

物理学报 2015年第11期64卷 288-297页

作者：于明孙宇涛刘全北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京100094

针对爆轰波在炸药-金属界面上折射时由实验获得的金属折射冲击波压力与经典爆轰波极曲线理论预测的压力存在显著差异这一问题,本文展开了进一步的理论和数值模拟分析研究.首先通过分析指出经典爆轰波极曲线理论的缺陷,并对爆轰波极曲线... 详细信息

针对爆轰波在炸药-金属界面上折射时由实验获得的金属折射冲击波压力与经典爆轰波极曲线理论预测的压力存在显著差异这一问题,本文展开了进一步的理论和数值模拟分析研究.首先通过分析指出经典爆轰波极曲线理论的缺陷,并对爆轰波极曲线理论进行了改进,改进爆轰波极曲线理论给出了炸药爆轰波折射类型以及折射冲击作用点处的压力值.然后发展了一个基于次特征理论来数值求解爆轰反应流动控制方程的二阶中心型Lagrange方法,并数值模拟了一个典型的炸药爆轰波折射实验.改进爆轰波极曲线理论和数值模拟分析结果表明,爆轰波折射类型有三种:反射冲击波的正规折射、带Mach反射的非正规折射、无反射波的正规折射,并且金属折射冲击波压力值随入射角增大而单调减小.

关键词：爆轰波折射极曲线理论 ZND模型

一种基于MOF界面重构的二维中心型MMALE方法

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计算物理 2016年第5期33卷 523-538页

作者：贾祖朋孙宇涛北京应用物理与计算数学研究所北京100094

发展了一种基于MOF(Moment of Fluid)界面重构的二维中心型MMALE(Multi-Material Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法.其中,流体力学方程组采用中心型拉氏方法进行离散求解.混合网格的热力学封闭采用Tipton压力松弛模型.混合网格内的... 详细信息

发展了一种基于MOF(Moment of Fluid)界面重构的二维中心型MMALE(Multi-Material Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法.其中,流体力学方程组采用中心型拉氏方法进行离散求解.混合网格的热力学封闭采用Tipton压力松弛模型.混合网格内的界面重构采用MOF方法,并对MOF方法作了简化和改进.重映步采用一种基于多边形剪裁算法的精确积分守恒重映方法.计算了若干数值例子,包括二维漩涡发展问题、Sedov问题、激波与氦气泡相互作用问题、水中强激波与空气泡相互作用问题、二维RT不稳定性问题等.数值算例表明,该方法具有二阶精度,能够计算界面两侧密度比和压力比很大的问题,并且其健壮性优于交错型MMALE方法,适合计算多介质复杂流体动力学问题.

关键词： MOF界面重构二维中心型MMALE方法

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求解多维欧拉方程的二阶旋转输运格式

空气动力学学报 2005年第3期23卷 326-329页

作者：孙宇涛任玉新清华大学工程力学系北京100084

提出了一个基于旋转近似Riemann求解器的二阶精度迎风型有限体积方法。不同于“网格相关”(Grid-aligned)的有限体积方法或者维数分裂的有限差分方法,本格式在求解Riemann问题时不依赖网格的方向,而是沿具有一定的物理意义的两个方向(... 详细信息

提出了一个基于旋转近似Riemann求解器的二阶精度迎风型有限体积方法。不同于“网格相关”(Grid-aligned)的有限体积方法或者维数分裂的有限差分方法,本格式在求解Riemann问题时不依赖网格的方向,而是沿具有一定的物理意义的两个方向(称为迎风方向)。我们发现当迎风方向取为控制体界面两侧速度差矢量方向(及与之正交的方向)时,该格式能够完全消除基于Riemann求解器的通量差分裂格式存在的激波不稳定或者所谓“红斑”(carbuncle)现象。为了提高格式的时间和空间精度,我们通过在控制体界面处求解线化的广义Riemann问题的方法体现输运过程对通量计算的影响。这种方案,使得我们有可能以此为基础,构造真正多维的有限体积型迎风格式。

关键词：数值模拟欧拉方程多维格式激波捕捉 Riemann求解器 “红斑”现象

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金属约束下定常非理想爆轰的理论研究

爆炸与冲击 2012年第6期32卷 635-640页

作者：于明孙宇涛张文宏北京应用物理与计算数学研究所北京100094

为了对金属约束条件下的定常非理想爆轰进行理论研究,对未反应炸药和爆轰产物采用JWL形式状态方程,对金属采用p(ρ,T)形式状态方程。采用过爆轰前导冲击波的流线偏转角在影响域内沿高度线性变化的假设,并且由未反应炸药和金属的冲击波... 详细信息

为了对金属约束条件下的定常非理想爆轰进行理论研究,对未反应炸药和爆轰产物采用JWL形式状态方程,对金属采用p(ρ,T)形式状态方程。采用过爆轰前导冲击波的流线偏转角在影响域内沿高度线性变化的假设,并且由未反应炸药和金属的冲击波极曲线的交点确定爆轰冲击边缘角,则可从未反应炸药斜冲击波极曲线关系式求出爆轰前导冲击波阵面的形状。采用爆轰前导冲击波阵面之后的流线是直线的假设,则爆轰流动控制方程由偏微分方程变为沿流线的常微分方程,沿着所有流线求解便给出爆轰化学反应区内声速线与化学反应结束线的位置。理论分析同时给出约束金属折射冲击波后面的流体的流动状态。理论结果给出的爆轰化学反应区结构特征和约束金属内的流动状态特征与高精度数值模拟的结果符合良好,说明本文中给出的理论方法具有良好的合理性和适用性。

关键词：爆炸力学定常非理想爆轰流线金属约束冲击波极曲线

基于特征理论的二维可压缩流动的二阶拉氏算法

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计算物理 2012年第6期29卷 791-798页

作者：孙宇涛贾祖朋于明任玉新北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京100094 清华大学工程力学系北京100084

提出一种求解二维拉氏可压缩流体力学方程的中心型二阶精度有限体积方法.利用特征理论构造网格节点处的局部近似演化算子,算子用来求解网格节点处的速度及压力,利用这些物理量更新节点位置及计算网格界面通量.通过结合一定的重构方案,... 详细信息

提出一种求解二维拉氏可压缩流体力学方程的中心型二阶精度有限体积方法.利用特征理论构造网格节点处的局部近似演化算子,算子用来求解网格节点处的速度及压力,利用这些物理量更新节点位置及计算网格界面通量.通过结合一定的重构方案,该方法达到时、空二阶精度,并且形式简单、计算量小,适用于结构网格与非结构网格.典型数值实验表明,本文格式具有良好的收敛性、对称性及鲁棒性,且能自然地求解多物质流动问题.

关键词：二维拉氏流体力学特征理论中心型格式二阶精度

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混凝土面板堆石坝静动力分析及安全评价研究

混凝土面板堆石坝静动力分析及安全评价研究

作者：孙宇涛西安理工大学

学位级别：硕士

目前,随着混凝土面板堆石坝的广泛应用,对复杂地质条件下所建的堆石坝的安全稳定性要求也随之变高。众多已建大坝的面板、坝坡以及垂直接缝在地震作用下均产生不同程度的破坏,影响坝体防渗性能,从而引发渗流事故,因此利用原型观测资料,... 详细信息

目前,随着混凝土面板堆石坝的广泛应用,对复杂地质条件下所建的堆石坝的安全稳定性要求也随之变高。众多已建大坝的面板、坝坡以及垂直接缝在地震作用下均产生不同程度的破坏,影响坝体防渗性能,从而引发渗流事故,因此利用原型观测资料,对坝体进行相应的抗震特性研究,科学分析堆石坝监测项目的测值变化,对大坝安全状态做出合理评价是保障工程安全的重要途径。本文以四工河混凝土面板堆石坝为例进行三维静、动力有限元计算,并对其进行安全性评价,论文的主要研究内容及成果如下:首先,对面板堆石坝进行有限元模型研究,基于邓肯-张E-B模型及无厚度goodman接触单元,对大坝四个剖面在竣工期及蓄水期工况进行应力变形特性分析,得出面板周边缝和垂直缝的变形量较小,大坝变形和受力安全,从而论证了大坝堆石分区的合理性。其次,考虑地震作用对大坝安全稳定的影响,建立三维有限元模型进行有限元计算,依据地震反应谱曲线设计三种计算工况,即:50年超越概率5%,100年超越概率2%和100年超越概率1%,得出混凝土面板堆石坝的各动力反应随着输入加速度峰值的增加呈现整体增大的趋势,且数值变化满足大坝在地震中的结构稳定性要求。最后,通过对混凝土面板堆石坝变形指标和统计理论研究,基于87个混凝土面板堆石坝实测资料进行变形指标的特征值统计分析,提出基于回归关系法的面板堆石坝定量评价方法,并建立划分等级及对应的指标范围进行评价。结合面板堆石坝坝顶沉降、坝体沉降、面板挠度和大坝渗流分指标对大坝各部位的安全运行状况进行评估,并综合4个分指标得到安全状态指标对坝体进行综合评价。通过对本文的研究发现,地震对混凝土面板堆石坝的安全稳定影响重大,合理进行大坝动力分析以及安全评价是至关重要的。

关键词：混凝土面板堆石坝力学特性动力分析统计分析安全评价

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冲击加载下“V”形界面的失稳与湍流混合

物理学报 2016年第24期65卷 139-148页

作者：李俊涛孙宇涛潘建华任玉新中国工程物理研究院研究生院北京100088 北京应用物理与计算数学研究所北京100094 清华大学航天航空学院北京100084

采用多组分混合物质量分数模型和最小色散可控耗散格式的高分辨率有限体积方法,数值模拟了弱激波冲击不同角度的"V"形空气/SF_6界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性问题.激波冲击界面后,在界面附近沉积涡量,形成沿界面规则排列的旋涡结构,... 详细信息

采用多组分混合物质量分数模型和最小色散可控耗散格式的高分辨率有限体积方法,数值模拟了弱激波冲击不同角度的"V"形空气/SF_6界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性问题.激波冲击界面后,在界面附近沉积涡量,形成沿界面规则排列的旋涡结构,同时界面扰动发展形成气泡和尖钉结构.本文统计了界面左端移动速度和界面混合宽度增长率等特征量的演化规律,并与已有的实验结果进行了对比,两者符合较好.讨论了物质界面处的流体向湍流混合发展的过程,随着界面旋涡结构的演化,涡结构之间开始发生相互诱导、并对等现象,并逐渐聚集在几个区域,而多尺度结构也因旋涡的诱导作用在这些区域中产生.通过对由雷诺数定义的惯性尺度进行分析,发现了具有上下边界的惯性尺度区域的形成,对动能能谱的分析发现了-5/3对数率的出现,这同样说明了惯性尺度区域的形成.由于湍流混合转捩与惯性尺度区域的形成是一致的,界面附近流场将发展为湍流.

关键词： Richtmyer-Meshkov不稳定性 “V”形界面涡结构湍流混合

基于特征理论的二维无粘Lagrange流体力学有限体积法

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计算物理 2011年第1期28卷 19-26页

作者：孙宇涛任玉新于明张树道北京应用物理与计算数学研究所北京100094 清华大学工程力学系北京100084

提出一个求解二维无粘Lagrange流体力学方程的中心型有限体积方法.采用特征理论求解网格节点处的速度及压力,并利用这些物理量更新节点位置及计算网格界面通量.方法适用于结构网格与非结构网格.典型数值实验的结果表明,格式具有较好的... 详细信息

提出一个求解二维无粘Lagrange流体力学方程的中心型有限体积方法.采用特征理论求解网格节点处的速度及压力,并利用这些物理量更新节点位置及计算网格界面通量.方法适用于结构网格与非结构网格.典型数值实验的结果表明,格式具有较好的收敛性、对称性、能量守恒性及鲁棒性,且能自然地求解多物质流动问题.

关键词：二维Lagrange流体力学特征理论中心型格式

激波冲击V形界面重气体导致的壁面与旋涡作用及其对湍流混合的影响

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物理学报 2017年第23期66卷 237-245页

作者：李俊涛孙宇涛胡晓棉任玉新中国工程物理研究院研究生院北京100088 北京应用物理与计算数学研究所北京100094 清华大学航天航空学院北京100084

基于多组分混合物质量分数模型,采用色散最小耗散可控的高分辨率有限体积方法,数值模拟了弱激波冲击V形空气/SF_6界面后,界面不稳定性生成的旋涡与固体壁面作用问题.激波冲击V形界面之后,因斜压效应诱导涡量沉积在界面附近,形成沿界面... 详细信息

基于多组分混合物质量分数模型,采用色散最小耗散可控的高分辨率有限体积方法,数值模拟了弱激波冲击V形空气/SF_6界面后,界面不稳定性生成的旋涡与固体壁面作用问题.激波冲击V形界面之后,因斜压效应诱导涡量沉积在界面附近,形成沿界面规则排列的多个涡对结构.旋涡的诱导作用使界面不断变形和卷起,同时旋涡之间不断发生相互并对,诱导更多更小尺度的旋涡产生.旋涡诱导作用的叠加效应,使界面尖端处的初始涡对向上下壁面发展.随后,涡结构开始与壁面发生复杂的相互作用.旋涡与壁面作用后沿壁面加速,使得物质界面沿壁面伸展,随后,旋涡从壁面回弹,并诱导二次旋涡产生.旋涡与壁面相互作用的过程,能够明显加剧物质混合.本文从物质混合的角度研究了该过程的机理,分析了旋涡与壁面作用对物质混合的影响.

关键词： Richtmyer-Meshkov不稳定性 V形界面旋涡壁面相互作用湍流混合