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粗粒化强化有限-离散元多尺度耦合方法在颗粒-连续体表面动态作用问题上的应用

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Acta Mechanica Sinica 2023年第1期39卷 110-123页

作者：程宏旸 Stefan Luding Thomas Weinhart University of Twente Chair of Soil MicroMechanics Department of Civil Engineering Faculty of Engineering Technology MESA+ Enschede The Netherlands (GRID:grid.6214.1) (ISNI:0000 0004 0399 8953) University of Twente Multi-Scale Mechanics Group Department of Thermal and Fluid Engineering Faculty of Engineering Technology MESA+ Enschede The Netherlands (GRID:grid.6214.1) (ISNI:0000 0004 0399 8953)

颗粒材料和可变形结构之间的相互作用与采矿、施工、粉末加工等许多工业过程相关.离散(DEM)和有限元法(FEM)之间的表面耦合通常用来模拟颗粒材料与连续体介质间的相互作用.本文使用最新提出“广义表面耦合”方法,通过粗粒化(CG)强化连... 详细信息

颗粒材料和可变形结构之间的相互作用与采矿、施工、粉末加工等许多工业过程相关.离散(DEM)和有限元法(FEM)之间的表面耦合通常用来模拟颗粒材料与连续体介质间的相互作用.本文使用最新提出“广义表面耦合”方法,通过粗粒化(CG)强化连续物理场从离散颗粒尺度数据中的提取,在离散-连续体接触面实现微观-宏观过渡.本文着重研究了颗粒-连续耦合系统中动量和能量的时间演化及其在CG宽度(即平滑内核有效范围)上的依赖性.通过三个数值算例,包括(1)密实颗粒流撞击柔性障碍物,(2)粘弹性立方体坠落并静止于颗粒床,(3)悬臂梁表面受重力作用滑动继而使梁弯曲的颗粒流,证明了CG强化的FEM-DEM表面耦合可以使数值结果更加准确,并减少耦合系统中的多余能量.通过比较三个计算实例,本文发现随着颗粒-连续体相互作用从静态到动态过度,CG强化面耦合方法的优势更加明显.随着CG宽度增加,耦合系统中过剩能量的衰减越强,高频振荡的振幅也越小,从而促进耦合系统中的应力松弛过程.但是最佳CG宽度的选择仍然取决于具体的耦合问题.

关键词：颗粒材料粗粒化多尺度耦合高频振荡可变形结构耦合系统连续体颗粒流

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弥散颗粒毒物的多尺度耦合燃耗算法

原子能科学技术 2023年第3期57卷 537-544页

作者：李学仲娄磊柴晓明王连杰蔡杰进华南理工大学电力学院广东广州510640 中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室四川成都610213

弥散颗粒毒物具有特殊的空间结构和较强的空间自屏效应,在燃耗过程中容易出现微观分层现象。在数值模拟中,直接精细化求解将带来巨大的计算量和网格密度,具有一定的挑战。为此,本文提出了一种全新的基于多尺度耦合的燃耗计算方法:通过... 详细信息

弥散颗粒毒物具有特殊的空间结构和较强的空间自屏效应,在燃耗过程中容易出现微观分层现象。在数值模拟中,直接精细化求解将带来巨大的计算量和网格密度,具有一定的挑战。为此,本文提出了一种全新的基于多尺度耦合的燃耗计算方法:通过微观精细球层模型和宏观均匀栅元模型的耦合,将弥散颗粒介质的精细求解问题简化成对一个简单常规介质的快速求解,解决了弥散颗粒毒物在全局范围内精细燃耗求解过程中所面临的计算量大和网格密度高等问题,准确地表征弥散颗粒毒物的燃耗特征,为弥散颗粒介质的求解提供了一个新思路。经过初步验证,该算法在有效增殖因数、中子通量密度和核素核数密度等中子物理参数中有较好的表现。

关键词：弥散颗粒毒物分层燃耗计算多尺度耦合等效均匀化

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流化床-化学气相沉积颗粒包覆过程数值模拟

清华大学学报（自然科学版） 2022年第10期62卷 1645-1659页

作者：陈猛陈昭刘荣正刘兵邵友林唐亚平刘马林清华大学核能与新能源技术研究院北京100084

利用流化床-化学气相沉积(fluidized bed-chemical vapor deposition,FB-CVD)技术制备包覆燃料颗粒是高温气冷堆燃料元件生产过程中的关键工艺之一,该文首先分析了FB-CVD颗粒包覆过程的特点,并综合流化床中的速度场、温度场、浓度场及CV... 详细信息

利用流化床-化学气相沉积(fluidized bed-chemical vapor deposition,FB-CVD)技术制备包覆燃料颗粒是高温气冷堆燃料元件生产过程中的关键工艺之一,该文首先分析了FB-CVD颗粒包覆过程的特点,并综合流化床中的速度场、温度场、浓度场及CVD模型建立了CFD-DEM-CVD多物理场多尺度耦合模型用于颗粒包覆过程的研究。然后从多个方面优化包覆模型,分别提出了CRF模型用于模拟物质的分解和沉积过程,PBM模型用于求解沉积组分的尺径分布及IBP模型用于求解包覆颗粒密度的改变。将该文提出的包覆模型用于实际的案例计算发现,模拟结果和实验结果吻合较好,验证了模型的可靠性和准确性。该文建立的颗粒包覆模型可以作为一种基础理论模型拓展颗粒学学术研究范畴,还可用于颗粒包覆过程的研究,为实际的工业生产提供理论指导。

关键词：颗粒包覆流化床-化学气相沉积(FB-CVD) 数值模拟 CFD-DEM 多尺度耦合

考虑土颗粒微细观运动的多尺度耦合有限元分析方法

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岩土力学 2021年第4期42卷 1186-1199页

作者：刘嘉冯德銮中交湾区(广东)投资发展有限公司广东广州510000 广东工业大学土木与交通工程学院广东广州510006

土体是一种多相碎散性颗粒材料,具有显著的非均匀非连续力学特性。建立在单一宏观尺度上的经典弹塑性有限元法忽略了土体微细观尺度上的控制机制,不能模拟和预测土体跨尺度层次演化的变形-破坏过程。为研究土体微细观尺度上的物理细节... 详细信息

土体是一种多相碎散性颗粒材料,具有显著的非均匀非连续力学特性。建立在单一宏观尺度上的经典弹塑性有限元法忽略了土体微细观尺度上的控制机制,不能模拟和预测土体跨尺度层次演化的变形-破坏过程。为研究土体微细观尺度上的物理细节和运动特征对宏观力学响应的影响规律,基于多尺度分层次的土体胞元模型,建立考虑土颗粒转动自由度的多尺度耦合颗粒微转动理论,并编制相应的颗粒微转动理论多尺度耦合有限元程序,对地基塑性区的开展深度进行模拟和预测。结果表明:颗粒微转动理论能有效地实现土颗粒微细观运动细节与土体宏观力学响应的跨尺度耦合关联,且可有效地克服经典有限元法的病态网格依赖性问题;土颗粒的转动位移主要集中在地基塑性区范围内,颗粒转动位移最大值为4°;地基塑性区的开展深度随地基土的颗粒粒径和弹性模量的增加而增大。地基塑性区跨尺度演化的微细观物理机制可解释为:土颗粒的微观转动削弱了颗粒之间应变的传递能力,进而形成塑性应变的集中和发展,最终导致地基的塑性区贯通而发生破坏。

关键词：土力学地基塑性区多尺度耦合土颗粒转动有限元模拟

中国境外政府间合作园区多尺度耦合建设机制--以中白工业园为例

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地理学报 2020年第6期75卷 1185-1198页

作者：刘志高王涛中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院区域可持续发展分析与模拟重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100049

"一带一路"倡议提出后,境外合作园区已成为中国企业走出去的重要平台和促进中国与沿线国家经贸合作的重要载体,在"一带一路"建设中发挥着重要作用。其中,政府间合作境外园区因合作规格高、投资规模大、建设进展快、成效初现,并肩负着"... 详细信息

"一带一路"倡议提出后,境外合作园区已成为中国企业走出去的重要平台和促进中国与沿线国家经贸合作的重要载体,在"一带一路"建设中发挥着重要作用。其中,政府间合作境外园区因合作规格高、投资规模大、建设进展快、成效初现,并肩负着"一带一路"建设示范功能,所以备受国际社会和学术界关注。但目前有关中国境外合作园区的研究多为政策导向型,未将政府间合作园区与企业投资所建立的境外园区区分开。为此,本文以中国-白俄罗斯(简称中白)为例,讨论"一带一路"背景下政府间合作园区建设过程中的多尺度耦合机制。中白工业园是中白两国元首共同发起、亲自推动的"一带一路"旗舰项目,已成为白俄罗斯首都明斯克新的经济增长极。研究表明,境外合作园区的发起、建设和运营是两国政府、园区开发公司和园区企业在全球经济活动中不停协调各自利益,追求共同目标的过程,涉及多尺度(全球、国家间、园区、企业)和多主体(政府、企业)。具体而言,中白两国出于各自战略目标考虑发起合作园区项目,并建立起政府间合作框架和机制。政府间合作框架和机制为协调两国战略利益,动员两国政治和经济资源推动园区发展提供了制度基础,但它并不完全能保证园区的成功。合理的园区开发公司股权结构及其强大的全球网络动员能力是园区成功建设的关键。因此,只有在处理好两国战略利益的同时,开发公司和入园企业能获取经济收益,才能确保政府间合作园区的长久发展。本文拓展性地将多尺度耦合理论用于分析政府主导的跨国大型园区项目合作,有助于丰富人文地理学里的耦合研究,并可为推动中国境外政府间合作园区高质量发展提供科学依据。

关键词：境外园区政府间合作多尺度耦合中白工业园 “一带一路”倡议

考虑破碎带节理分布特征的隧道开挖诱发近断层错动随机性分析

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岩土工程学报 2023年

作者：禹海涛李婷婷陈志伟闫晓同济大学地下建筑与工程系上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司同济大学土木工程防灾国家重点实验室

隧道开挖往往会引起邻近断层错动，并进一步诱发岩爆、地震等灾害。然而，断层破碎带内部岩体物理力学特征复杂，不仅表现出非连续性、非线性和各向异性，还存在节理随机分布特征，隧道开挖诱发近断层错动机制仍不清晰。本文基于连续—... 详细信息

隧道开挖往往会引起邻近断层错动，并进一步诱发岩爆、地震等灾害。然而，断层破碎带内部岩体物理力学特征复杂，不仅表现出非连续性、非线性和各向异性，还存在节理随机分布特征，隧道开挖诱发近断层错动机制仍不清晰。本文基于连续—离散耦合分析方法建立了含断层工程场地多尺度力学模型，采用基于离散单元法的人工合成岩体模型模拟断层破碎带，采用有限差分法描述断层上、下盘及内部隧道开挖影响下的宏观动力特征。开展了近断层隧道开挖多因素模拟，探究了断层岩体节理随机分布特征对近断层隧道开挖的影响规律。分析结果表明：破碎带内部节理随机性对隧道开挖诱发近断层错动影响显著；节理倾角均值越接近断层倾角，隧道开挖导致的近断层错动量越大；正交试验情况下，断层节理倾角方差对最终错动量均值大小影响较小；节理长度的均值和方差越大，断层破碎带越容易发生错动；节理密度越大，破碎带介质越破碎，断层带整体的强度和刚度越低，抵抗错动的能力也越弱。通过对比分析得出节理分布特征参数对断层错动量均值影响程度的排序分布：节理密度>节理倾角均值>节理长度均值>节理长度标准差>节理倾角标准差；且当显著性水平为0.05时，节理密度对断层错动量的影响达到显著水平（p<0.05）。

关键词：断层错动多尺度耦合随机性隧道开挖

基于WRF与CFD的复杂地形风场多尺度耦合模拟分析

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华南理工大学学报（自然科学版） 2021年第5期49卷 65-73,83页

作者：杨易谭健成金博崇刘慕广华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室广东广州510640

在超高层建筑结构抗风研究中,风场的准确模拟是重要的前提条件。文中综合利用WRF(中尺度天气预报)模式可以模拟高空大气环流、小尺度CFD模拟具备高时空分辨率的特点,选取深圳气象塔周边地带作为一典型丘陵地貌风场研究区域,基于四维数... 详细信息

在超高层建筑结构抗风研究中,风场的准确模拟是重要的前提条件。文中综合利用WRF(中尺度天气预报)模式可以模拟高空大气环流、小尺度CFD模拟具备高时空分辨率的特点,选取深圳气象塔周边地带作为一典型丘陵地貌风场研究区域,基于四维数据同化(FDDA)技术的WRF模式,以及平衡态大气边界层CFD模拟,进行这一复杂地形局部风场的多尺度耦合仿真分析。风场仿真结果验证了WRF模拟中AN(分析松弛法)与SAN(近地面分析松弛法)同化方案的适用性,相对而言,AN方案模拟精度更高;相较单一的中尺度WRF模拟,WRF-CFD多尺度耦合模式结果与气象实测数据更吻合,表明多尺度耦合模拟中,由于中尺度WRF模式可为小尺度的CFD模型提供更准确的入口边界条件,并通过网格嵌套实现边界层内的降尺度精细化模拟,从而可以提升风场本身的模拟精度。基于WRF-CFD边界层风场的多尺度耦合模拟将是提高高层建筑结构风效应模拟分析精度的有效途径。

关键词：大气边界层风场 WRF模式 CFD 复杂地形四维数据同化技术多尺度耦合

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数值反应堆多物理多尺度耦合技术进展研究

核动力工程 2021年第5期42卷 1-7页

作者：刘晓晶谢秋霞柴翔程旭上海交通大学核科学与工程学院上海200240

介绍了数值反应堆的基本概念,详细调研了国际上针对数值反应堆开展的研发项目,如轻水堆先进仿真联盟(CASL)、欧洲核反应堆仿真通用平台(NURESIM)和核能先进仿真与建模(NEAMS)项目,总结了多物理耦合及多尺度耦合技术的国内外研究现状,并... 详细信息

介绍了数值反应堆的基本概念,详细调研了国际上针对数值反应堆开展的研发项目,如轻水堆先进仿真联盟(CASL)、欧洲核反应堆仿真通用平台(NURESIM)和核能先进仿真与建模(NEAMS)项目,总结了多物理耦合及多尺度耦合技术的国内外研究现状,并结合研究现状指出材料腐蚀行为与流动传热、中子物理共同作用下的多物理耦合机理、基于统一网格求解的高保真耦合程序开发是数值反应堆技术发展的重点方向。

关键词：数值反应堆多物理耦合多尺度耦合

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高精度入口边界的峡谷桥址风场数值模拟

中国公路学报 2020年第7期33卷 114-123页

作者：沈炼华旭刚韩艳蔡春声韦成龙长沙学院土木工程学院湖南长沙410022 湖南大学土木工程学院湖南长沙410082 长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410076 路易斯安那州立大学土木与环境工程系路易斯安那巴吞鲁日LA70803

山区峡谷地区由于受特殊地形地貌条件影响使得其风场十分复杂,这些地区建立的大跨度桥梁面临着更为突出的风致振动问题,而当前规范对峡谷桥梁的抗风设计还没有明确规定。为更加深入认识峡谷风场的分布特性,基于WRF与CFD耦合模式对峡谷... 详细信息

山区峡谷地区由于受特殊地形地貌条件影响使得其风场十分复杂,这些地区建立的大跨度桥梁面临着更为突出的风致振动问题,而当前规范对峡谷桥梁的抗风设计还没有明确规定。为更加深入认识峡谷风场的分布特性,基于WRF与CFD耦合模式对峡谷桥址风场进行精细化分析,在中尺度气象模式基础上结合多项式插值方法获取入口边界的平均风速,同时对峡谷桥址上游风速进行实时监测,利用实测站脉动特性互等的原则获取数值模拟入口位置的脉动特性。将平均风速和脉动风速综合考虑后利用UDF程序赋给大涡模拟的入口边界并对峡谷桥址位置风场进行详细分析,最后将模拟结果与实测结果的湍流特性进行对比。研究结果表明:考虑脉动风速后的入口边界条件相比于无脉动入口风速其湍流特性与实测值吻合更好;中国现有规范中的标准谱不适用于复杂峡谷桥址地区,如用现有规范设计山区峡谷桥梁,其结果偏不安全;来流风向与峡谷走向是引起加速效应的主要原因,峡谷上游的复杂局部地形是引起峡谷桥址风场多样性的根本原因。研究成果可供山区峡谷大跨度桥梁抗风设计提供参考。

关键词：桥梁工程山区峡谷风场大涡模拟多尺度耦合入口边界