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基于有限体积法的三维CFD-DEM耦合方法

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水资源与水工程学报 2017年第2期28卷 126-132页

作者：沈亚男蒋明镜奚邦禄河海大学岩土工程科学研究所江苏南京210098 同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092

本文基于有限单元法对流体控制方程进行离散,并与离散单元法进行三维流固耦合计算。首先,针对多孔介质土体选取合适的控制方程,包括流体运动方程、颗粒运动方程及流固相互作用方程。然后将编译的计算流体力学程序引入离散单元法中进行... 详细信息

本文基于有限单元法对流体控制方程进行离散,并与离散单元法进行三维流固耦合计算。首先,针对多孔介质土体选取合适的控制方程,包括流体运动方程、颗粒运动方程及流固相互作用方程。然后将编译的计算流体力学程序引入离散单元法中进行耦合计算。最后,针对单颗粒沉降进行了数值模拟,结果表明:颗粒在刚开始下落时,速度增加较快,然后增加速率逐渐变缓并趋于稳定;随着颗粒的不断下降,其所受拖拽力随着时间先迅速增加,然后逐渐与浮重力一致;颗粒下降速度稳定后,水压(扣除静水压力)在颗粒附近呈蝶翼状分布,且颗粒上方为负压,下方为正压;颗粒下方水流向两侧外流,而上方水流向颗粒上方汇聚。以上研究结果表明此次编译的计算流体力学程序能够很好地和离散单元法进行耦合,并可用于研究多孔介质流固耦合问题。

关键词：有限体积法离散单元法流固耦合方法

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轮胎横向花纹沟泵吸噪声仿真研究

机械科学与技术 2014年第2期33卷 212-216页

作者：周海超王国林高龙毛竹君江苏大学汽车与交通工程学院镇江212013

基于流固耦合和气动声学的方法研究了轮胎横向花纹沟槽结构尺寸及其截面形状对花纹泵吸噪声的影响。运用Abaqus仿真了带有横向花纹沟槽轮胎滚动以获得滚动过程中花纹沟槽各壁面位移随时间的变化信息;提取接地印痕区域内单个横向花纹沟... 详细信息

基于流固耦合和气动声学的方法研究了轮胎横向花纹沟槽结构尺寸及其截面形状对花纹泵吸噪声的影响。运用Abaqus仿真了带有横向花纹沟槽轮胎滚动以获得滚动过程中花纹沟槽各壁面位移随时间的变化信息;提取接地印痕区域内单个横向花纹沟槽并建立与周围空气相耦合的有限元模型,通过对其施加相应位移边界条件来重现横向花纹沟槽在滚动过程中的状态特性;借助流场计算实现对花纹泵吸噪声的预测。结果表明:花纹泵吸噪声随着沟槽长度的增大而减小;随着沟槽宽度的增大而增大;而沟槽深度对泵吸噪声影响不明显;沟槽横截面的形状对泵吸噪声影响较大。

关键词：流固耦合方法气动声学横向花纹仿真分析泵吸噪声

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爆炸冲击下入廊燃气舱防爆优化分析

爆炸冲击下入廊燃气舱防爆优化分析

作者：秦天阳沈阳建筑大学

学位级别：硕士

地下综合管廊是集供热、给排水、通信、电力、燃气等市政管线于一体,实施统一规划、统一管理、统一检修的地下结构工程。随着天然气的普及应用,燃气事故越来越频发,将燃气管线入地下综合管廊具有一定的危险性,发生燃气爆炸事故会造成巨... 详细信息

地下综合管廊是集供热、给排水、通信、电力、燃气等市政管线于一体,实施统一规划、统一管理、统一检修的地下结构工程。随着天然气的普及应用,燃气事故越来越频发,将燃气管线入地下综合管廊具有一定的危险性,发生燃气爆炸事故会造成巨大损失。因此本文采用双层田字形地下综合管廊进行燃气爆炸分析,建立地下综合管廊有限元模型,采用流固耦合的方法模拟燃气爆炸对综合管廊的作用,分析研究了下列工作:(1)通过化学方程式理论计算出爆炸参数压力值,并与数值模拟压力值进行对比,验证爆炸参数的可靠性;分析不同工况下的冲击波传递可知,爆炸冲击波的传递以球形向四周扩散,并且冲击波压力峰值逐渐减小;分析爆炸冲击波对综合管廊的破坏作用,当燃气量达到一定程度,发生燃气爆炸时综合管廊燃气舱阴角处发生破坏。(2)对比燃气舱分别布置于综合管廊的上层和下层在相同爆炸条件下的破坏分析,分析可得燃气舱布置于综合管廊上层时在爆炸冲击下破坏更小,破坏的位置为综合管廊燃气舱阴角处,现通过在阴角处设置倒角改变综合管廊燃气舱横截面来减小燃气舱在爆炸作用下的破坏程度,取倒角半径相同的直倒角和弧倒角对比分析、取倒角横截面面积相同的直倒角和弧倒角对比分析,综合分析,采用直倒角能有效的减小综合管廊燃气舱阴角处在爆炸作用下的破坏程度。(3)对综合管廊燃气舱提出抗爆设计,在燃气舱内部设置抗爆板,燃气爆炸属于高能、高速爆炸,泡沫铝材料具有吸能性,选取泡沫铝材料作为抗爆板,通过对比分析,泡沫铝抗爆板在燃气爆炸作用下吸收了大量能量,有效的减缓了爆炸冲击对综合管廊的冲击作用,说明泡沫铝具有良好的抗爆性能。针对泡沫铝材料参数进行对比分析,分别选取不同泡沫铝材料密度、不同泡沫铝材料阻尼系数,对比分析可知提高泡沫铝材料的密度与阻尼系数能提高泡沫铝的抗爆性能,但是提高幅度较小,综合考虑,不建议抗爆板采用高密度、高阻尼泡沫铝材料。

关键词：综合管廊流固耦合方法防爆优化分析泡沫铝抗爆层

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火工分离装置工作过程性能分析

火工分离装置工作过程性能分析

作者：夏晓宇国防科学技术大学

学位级别：硕士

本文以空间飞行器上的火工分离装置作为研究对象,对其工作过程进行了建模和仿真,进而对它的性能进行了研究,此外还做了设计参数的优化、可靠性设计等方面的工作。主要内容包括: 一、将火工分离装置的各个子系统作为一个相互关联的整体... 详细信息

本文以空间飞行器上的火工分离装置作为研究对象,对其工作过程进行了建模和仿真,进而对它的性能进行了研究,此外还做了设计参数的优化、可靠性设计等方面的工作。主要内容包括: 一、将火工分离装置的各个子系统作为一个相互关联的整体来研究,对其各层次的功能、结构、联系、能量及做功关系等方面均有涉及。二、建立了火工分离装置的性能模型。研究了各种起爆方式的机理,利用仿真方法得到了激光起爆方式中激光脉宽、波长、功率、药剂吸收系数对起爆的影响;对于非电隔板传爆系统,研究了爆轰波在不同介质中的传播和透过隔板的衰减规律,给出了爆轰波在各个阶段的计算公式,编制了相应的程序并进行了算例计算。三、对仿真软件的原理进行了介绍,对于爆炸仿真的三种方法:共用节点法、接触耦合法和流固耦合方法,进行了分析。根据本文研究对象的特点,以多物质流固耦合方法为主,结合其它方法,在仿真过程中设计并运用了合适的方法。四、对航天聚能切割分离装置,建立其仿真模型,采用较为合适的材料模型、状态方程和仿真参数,对它的工作过程进行了仿真分析,直观地观察了爆轰波的传递过程、射流的形成过程、射流对钢板的切割分离过程,钢板最后的脆性断裂过程和钢板的破口形状,得出了一些定量的结论,包括射流的速度、切割分离的时间、碎片的速度、能量的大小等等。研究了不同设计参数对聚能切割分离的影响,包括药型罩锥角大小、壁厚、炸高、炸药种类,分别改变设计参数进行仿真,对计算结果进行了比较,得出了优化结论。五、对膨胀管分离装置,建立其仿真模型,采用较为合适的材料模型、状态方程和仿真参数,对它的工作过程进行了仿真分析,直观地观察了爆轰产物的膨胀过程、金属管的扩张膨胀过程、分离板的受力断裂和分开过程,得出了一些定量的结论,包括金属管和分离板的变形量大小、分离时间、应力和应变的大小、速度的大小等等。研究了不同设计参数对膨胀管分离的影响,包括削弱槽的形状、膨胀管的长短比、装药半径等等,分别改变设计参数进行计算,对计算结果进行了比较,得出了优化结论。六、对火工分离装置的可靠性设计方法进行了探索。建立起了火工分离装置可靠性串联模型;对可靠性在各个环节之间的分配方法进行了研究,绘制出了可靠性设计的一般流程图;提出了可以提高系统可靠度的可靠性设计技术,并总结出了可能的失效模式。

关键词：火工装置爆炸数值模拟 LS-DYNA 流固耦合方法聚能射流膨胀管

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新型倒伞型曝气机曲面叶轮优化设计研究

新型倒伞型曝气机曲面叶轮优化设计研究

作者：邱彬彬南昌航空大学

学位级别：硕士

为了解决当前水资源的污染和匮乏，开发和优化污水处理工艺成为非常重要的技术手段之一。氧化沟处理工艺是污水处理的主要工艺技术，而倒伞型曝气机是该种工艺的关键机械设备。由于能源的日趋紧张加上氧化沟污水处理工艺对曝气设备的高... 详细信息

为了解决当前水资源的污染和匮乏，开发和优化污水处理工艺成为非常重要的技术手段之一。氧化沟处理工艺是污水处理的主要工艺技术，而倒伞型曝气机是该种工艺的关键机械设备。由于能源的日趋紧张加上氧化沟污水处理工艺对曝气设备的高要求，新型高效低能曝气设备的研究已经成为推动氧化沟处理技术发展和节能降耗的重要突破点。本文基于上述背景条件下，提出了一种按照某种曲线方程规律变化的叶片，优化设计了一种新型曲面叶轮倒伞型曝气机。本文首先研究了关于倒伞型曝气机的国内外文献资料，分析了倒伞型曝气机搅拌、推流和充氧的主要工作机理是由于叶轮旋转形成的水跃和射流使水体产生速度，并在减速下落时包裹大量空气，形成气液两相流的传质，同时在水体形成大气负压区和表面梯度压力作用于上下层流，加速曝气充氧和搅拌的过程。基于倒伞型曝气机的机理，为了提高氧化沟污水处理效率和降低能耗，研究前期提出了等螺旋角对数螺旋线方程的曲面叶片，并采用计算流体力学理论和Fluent软件的湍流方程模拟分析了不同边界条件下该种曲面叶片在工况稳定后的搅拌推流性能，根据结果选取了优化之方程。研究考虑到叶片实际工作时会产生弯曲，因此本文对叶片进行了弯曲的有限元分析，其应力应变在合理范围。在等螺旋角对数螺旋线方程的基础上，研究为了达到最佳流线特性提出了一种按照非等螺旋角对数螺旋线方程曲面叶片。由于条件限制和课题下一步的试验研究，本文运用了相似准则的佛劳德准则以相同比例缩小了相应的曲面叶片，并对等螺旋角对数螺旋线曲面叶片和非等螺旋角对数螺旋线曲面叶片进行了计算流体力学的数值模拟和流速对比，发现后者有稍好的搅拌推流性能。因此新型曲面倒伞型曝气机的叶轮采用非等螺旋角对数螺旋线曲面，同时本文设计和选取了倒伞型曝气机其他零部件。在加工制造之前，本文采用了流固耦合方法对优化后的新型曲面倒伞型曝气机叶轮进行了单向流固耦合受力分析以验证叶轮的可靠性，结果表明新型曲面叶轮是可靠的。本文优化设计的新型曲面倒伞型曝气机为表面曝气机的设计和分析提供了理论依据，同时对氧化沟污水处理设备的优化和创新有一定的推动作用。

关键词：倒伞型曝气机曲面叶片计算流体力学优化设计流固耦合方法

LNG管内流体诱导振动以及影响因素分析研究

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LNG管内流体诱导振动以及影响因素分析研究

作者：卢嘉伟武汉理工大学

学位级别：硕士

随着国家能源结构调整,液化天然气(LNG)进口量增大,沿海LNG接收站不断建成。对于低温流体,LNG管内易产生两相流流动从而对管壁产生的变激振力,会使得管道长期受到交变应力从而引起破损,因此两相流诱导振动的研究对LNG管道运输安全有着... 详细信息

随着国家能源结构调整,液化天然气(LNG)进口量增大,沿海LNG接收站不断建成。对于低温流体,LNG管内易产生两相流流动从而对管壁产生的变激振力,会使得管道长期受到交变应力从而引起破损,因此两相流诱导振动的研究对LNG管道运输安全有着重要意义。本文为了解决低温流体LNG诱导的管道振动问题,从研究LNG在不同影响因素条件下的流型出发,研究流体对管道的耦合作用。本文首先根据LNG运输过程,选取研究对象,建立物理模型、数学模型以及设定相关的仿真参数条件,利用CFD软件对不同因素条件下管内LNG流动状态进行了仿真分析,基于流固耦合方法运用有限元软件将LNG的流体分析与管道瞬态结构分析耦合计算,对管结构在流体作用下的动态响应特性进行分析。其次将仿真模拟结果作为正交分析水平值,通过正交设计方法设置仿真模拟中的因素组合,对仿真结果进行多因素敏感性分析,得到主要影响因素和次要影响因素。按照以上研究方法主要得出以下结论:(1)管内低温两相流在流过管道弯头会产生气泡的聚合与破灭,环境温度的升高、入口流速的增大、入口压力的降低都会使得管内低温流体的气化更明显;而入口流速的增大,增强了与环境换热效果,气化量会有增长趋势;在正常工况范围内,压力的变化对管内气化沸腾产生的影响明显。(2)液相流速增大或入口截面含气率降低,管内流型会从(波动)分层流流型—塞状流流型—泡状流流型依次转变,两相流之间的耦合作用依次增加。通过对管壁压力值的计算与对比,管壁所受塞状流激振力能级最高,其次是泡状流,分层流的激振力能级最小。(3)泡状流的相间耦合作用较小,管道的振动主要由两相流中的液相主导,管道在受到流体冲击之后,产生较大的振动,然后趋于平稳。入口流速、环境温度的增大和入口压力的减小均会导致管道振动强度的增大,管道入口水平方向两侧的交变应力均随之增大。(4)基于正交设计方案对影响管道振动强度的因素进行排列组合,并依次进行数值仿真,采用SPSS对仿真结果进行显著性分析,根据回归系数表中的显著性P值大小得出各因素的影响程度为:入口流速>工况压力>环境温度,并得到适用于泡状流流型的管道振动强度与各影响因素之间的线性回归方程。

关键词： LNG低温管道相变流动两相流激振流固耦合方法多因素敏感性分析

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轮胎滚动水滑特性的流固耦合分析

弹性体 2019年第2期29卷 13-17页

作者：孙熙林王安迎王伟青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室山东青岛266042

借助ABAQUS软件,以P205/55R16子午线轮胎为例,完成了从隐式分析向显式分析的结果传递,实现了轮胎水滑仿真。结果表明,根据对水流浮力和行驶速度关系的比较,验证了所建立轮胎水滑的流固耦合模型的可靠性;楔形水膜的水压相较于周边偏高,... 详细信息

借助ABAQUS软件,以P205/55R16子午线轮胎为例,完成了从隐式分析向显式分析的结果传递,实现了轮胎水滑仿真。结果表明,根据对水流浮力和行驶速度关系的比较,验证了所建立轮胎水滑的流固耦合模型的可靠性;楔形水膜的水压相较于周边偏高,行驶速度越快,楔形水膜处水压越大,越易发生水滑现象;楔形水膜上下流层流速不均,下层水流流速较慢,是水滑的主要诱因;临界水滑速度随着水膜厚度的增加而降低。

关键词：轮胎水滑有限元分析流固耦合方法楔形水膜

水力自动翻板闸门运行过程中流固耦合数值模拟

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三峡大学学报（自然科学版） 2014年第2期36卷 17-19页

作者：郭利娜水利部发展研究中心北京100038

以某水电站水力自控翻板闸门为例,对水力自控翻板闸门的整个工作过程进行分析,模拟闸门在水位不断上升的情况下闸门开启的过程,从而得到闸门在不同开启角度时的各个流态.所得结论可为闸门设计工作的研究提供参考.

关键词：水力自动翻板闸门流固耦合方法数值模拟