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冰区航行船舶阻力性能研究

冰区航行船舶阻力性能研究

作者：李夏炎哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着全球气候变暖,冰川融化速度加快,冰盖范围缩小,北极这一战略要地,越来越受到相关国家的重视。不管是对世界航运具有重要意义的北极航线的开通,还是作为矿石、油气资源的储备基地的研究,北极的科考、勘探和开发工作,都受到广泛的关... 详细信息

随着全球气候变暖,冰川融化速度加快,冰盖范围缩小,北极这一战略要地,越来越受到相关国家的重视。不管是对世界航运具有重要意义的北极航线的开通,还是作为矿石、油气资源的储备基地的研究,北极的科考、勘探和开发工作,都受到广泛的关注。在此基础上,破冰船,冰区运输船和科考船等冰区航行船舶的基础性能研究工作的进行,已经迫在眉睫了。近几十年来,冰区船舶研究领域的重点一直是破冰船、科考船的破冰能力,冰载荷和冰区船结构强度等问题。随着冰区航行船舶的多样化和研究的深入,对于碎冰条件下的冰区航行船舶的性能关注也越来越多了,冰区船舶碎冰航行阻力在冰区航行船舶初期设计阶段是一个很重要的问题。然而国内对于这一领域内的研究尚处于起步阶段,不管是冰区船船模试验技术、数值仿真模拟预报技术还是船-冰作用理论分析研究,都有很多尚未触及的问题需要投入研究解决。为此,本文针对冰区航行船舶阻力性能问题进行研究,在哈尔滨工程大学船模拖曳水池中进行了碎冰条件下的非冻结模型冰船模试验,使用某冰区航行运输船模型,详细介绍了该试验的前期准备过程,试验进行了该船模在三种碎冰密度下的6个不同速度点的航行过程,得到了碎冰阻力试验数据并进行了分析。同时基于有限元思想对冰区航行船舶在碎冰区域内航行的全过程进行了有限元数值仿真,研究了有限元思想解决冰区船航行阻力预报问题的基本原理和方法:包括有限元基本思想,罚函数法,ALE方法等,基于非冻结模型冰试验在相同条件下进行了三种碎冰密度下的六个不同速度点的碎冰阻力数值仿真,详细介绍了数值建模、边界条件设置和载荷的添加、修改K文件和计算过程,同时在后处理中观察分析仿真现象并输出了船-冰相互作用的碎冰阻力,与试验值进行对比。通过冰区船模型试验和有限元数值仿真两种方法对比研究了冰区航行船舶阻力性能问题,以期能够为冰区航行船舶的早期设计、冰抗设计和航行安全问题提供技术支持。

关键词：冰区船舶碎冰阻力模型试验有限元仿真 ALE方法流固耦合

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红细胞在毛细血管中的流动形态分析与仿真

红细胞在毛细血管中的流动形态分析与仿真

作者：赵立国山东大学

学位级别：硕士

研究红细胞在微循环中的运动具有十分重要的意义,一方面循环系统担负着人体中物质与能量的运输,是维持生命活动的基础,而微循环系统作为与各组织直接接触的系统,更是与相关组织器官的正常功能息息相关。另一方面很多疾病都会对微循环系... 详细信息

研究红细胞在微循环中的运动具有十分重要的意义,一方面循环系统担负着人体中物质与能量的运输,是维持生命活动的基础,而微循环系统作为与各组织直接接触的系统,更是与相关组织器官的正常功能息息相关。另一方面很多疾病都会对微循环系统产生影响,这些疾病或是由于微循环障碍引起,或是其它病变引起,所以微循环检测可以作为疾病诊断的重要依据。因此,分析毛细血管中红细胞的运动特征及其变形机理可以为揭示相关的生理反应提供有价值的信息。微循环研究通常采用的研究方法有三种,分别是理论模型法、观察实验法和数值分析法。早期流体领域的研究主要采用理论模型法,随着实验手段的进步,实验观察法大大扩展了人们对流体现象的认知,但是流体现象是复杂多变的,研究方法亟需改进,计算流体力学的进步使研究者对真实流体现象的数值模拟不断实现,成为现在的主流研究方法,亦是本文采用的方法。数字仿真能够很好的模拟各种现实问题,但是不同的算法对不同的问题的效果不同,本文针对微循环流体力学的特性采用了ALE方法和Level Set方法。红细胞在通过细小的毛细血管时往往会发生较大的形变,在数值仿真中这一点非常重要,直接影响仿真结果的精确性,ALE方法在处理这类网格变形过程问题中有明显的优势,并在其他领域得到广泛应用。Level Set方法的引入是为了处理运动边界的移动问题,为了更好的追踪运动界面,具有强大的拓扑描述力,而且容易实现。数字仿真方法需要建立研究对象的模型,对本研究而言,即血管模型,描述血管的尺寸与形状;流场模型,描述血管内流场的状态;红细胞模型,红细胞的形状与膜的特性。然后划分计算网格,设置相应的属性和条件,最后进行计算求解。微循环流体力学环境复杂,影响因素众多,本研究主要分析了不同毛细数Ca下红细胞的形变,以及毛细数Ca与粘度比λ对红细胞径向迁移的影响。结果表明,当毛细数增加时,细胞的形变越来越趋向于X轴对齐。细胞的迁移运动随着细胞向导管中心线的接近而减小,当毛细数较大时细胞呈现非对称的形状,细胞的变态改变只在最初的瞬变期间有较大变化,随后进入一个准稳态状态,逐渐远离导管壁;迁移速度、形变程度等随着粘度比的增大而减小。

关键词：微循环计算流体力学 ALE方法 Level Set方法径向迁移

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弹性锥形血管的有限元分析及数值模拟

弹性锥形血管的有限元分析及数值模拟

作者：曹长永南华大学

学位级别：硕士

生物流体力学是包括流体力学、生物学和医学等多学科交叉形成的基础性学科.它通过运用流体力学的知识去揭示一些生命现象，探讨生命规律.目前生物流体力学的研究主要集中在人体生理流动情况，像循环系统内流体动力学问题.而数值模拟作... 详细信息

生物流体力学是包括流体力学、生物学和医学等多学科交叉形成的基础性学科.它通过运用流体力学的知识去揭示一些生命现象，探讨生命规律.目前生物流体力学的研究主要集中在人体生理流动情况，像循环系统内流体动力学问题.而数值模拟作为一种研究人体血流问题的适应性方法，越来越得到重视. 本文通过运用任意拉格朗日-欧拉方法，能够对二维弹性条件下的锥形血管中的速度场和压力场进行分析.假设血管的锥度角为小锥度角，来获得血液在血管内流动的速度、压力分布，并与无锥度角的血管和刚性条件下的血管内的血液流动情况作比较.数值模拟的结论是：血液在血管内流动的速度分布和压力分布与血管的刚、弹性性质差别很小，但和锥度角的大小有很大关系.锥度角越大，那么压力变化的幅值就越大，径向速度变化越显著，却又不会影响径向速度分布的最大值位置.考虑到实际的生理血管都有锥度角，虽然角度很小，但是它却有确确实实的影响和作用，不可忽略.因此，通过对血流动力学的分析表明了ALE方法对血液流动研究具有极大的可行性.

关键词：弹性锥度角血液流动 ALE方法

壁面展向周期振动激励下的封闭换热通道流动传热特性研究

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壁面展向周期振动激励下的封闭换热通道流动传热特性研究

液压动力沉桩机-桩-土全系统有限元分析及结构优化

第十届全国流体力学学术会议

作者：傅佳宏张宇肖宝兰浙江大学城市学院机电系

为了研究振动激励下封闭换热通道内部流动结构与换热状态,采用ALE方法建立封闭换热通道在不同振动激励参数下的非等温流模型,并搭建电动振动传热试验平台与并行式数据采集系统,测量封闭通道在不同振动激励下的温度瞬态变化特性,验证数... 详细信息

为了研究振动激励下封闭换热通道内部流动结构与换热状态,采用ALE方法建立封闭换热通道在不同振动激励参数下的非等温流模型,并搭建电动振动传热试验平台与并行式数据采集系统,测量封闭通道在不同振动激励下的温度瞬态变化特性,验证数值模型。试验研究发现,随着受迫振动频率的增加,振动激励可以将自然对流强化为混合对流;当频率超过50Hz时,自然对流的影响可以忽略,并得到受迫振动引起的封闭换热通道内部强制对流换热试验关联式。数值研究分析了不同振幅、频率及通道高宽比下的流动与传热状态,研究发现换热强度对于高宽比的变化较为敏感,且不同高宽比下皆具有最佳的振动频率使通道内部出现完整的上抛涡,从而强化了传热过程。

关键词：强化换热振动激励混合对流 ALE方法涡流结构

来源： cnki会议评论

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液压动力沉桩机-桩-土全系统有限元分析及结构优化

作者：黎桓湖南科技大学

学位级别：硕士

液压动力沉桩机是利用冲锤运动产生冲击能作用于预制桩,将预制桩沉入土中的桩工机械,因其工作效率高、环境污染小、易于移动而广泛应用于建筑行业。本文以某新型液压动力沉桩机冲击机械系统为研究对象,建立液压动力沉桩机-桩-土相互作... 详细信息

液压动力沉桩机是利用冲锤运动产生冲击能作用于预制桩,将预制桩沉入土中的桩工机械,因其工作效率高、环境污染小、易于移动而广泛应用于建筑行业。本文以某新型液压动力沉桩机冲击机械系统为研究对象,建立液压动力沉桩机-桩-土相互作用的全系统有限元模型,分析液压动力沉桩机冲击机械系统及桩土动态响应,探讨冲击机械系统物理性能参数对沉桩效率的影响,优化冲击机械系统关键零部件尺寸参数,为新型液压动力沉桩机的结构设计和实际工程运用提供理论依据。本文主要研究内容如下:（1）针对新型液压动力沉桩机的结构特点和工作原理,考虑土体大变形,采用ALE方法,建立基于ANSYS/LS-DYNA的液压动力沉桩机-桩-土全系统有限元模型;依据应力波法,搭建实验测试平台,得到实验结果与仿真结果基本一致,为液压动力沉桩机冲击机械系统动态响应分析提供基础。（2）基于液压动力沉桩机-桩-土全系统有限元模型,获得冲锤、传力箱、拉杆以及桩帽的动态响应特性;分析预制桩尺寸及土体体积模量对桩底承载力的影响,为液压动力沉桩机的工程使用环境选择提供判断依据。（3）分析不同缓冲弹簧刚度、不同桩垫弹性模量下的冲击机械系统沉桩效率、桩底承载应力及贯入度,获得不同参数条件下沉桩效率和桩底承载应力及贯入度的变化趋势,为液压动力沉桩机冲击机械系统中缓冲弹簧刚度以及桩垫弹性模量参数的选取提供理论参考。（4）建立传力箱底板厚度、传力箱侧板厚度、拉杆直径与传力箱最大应力、拉杆最大应力的BP神经网络模型,以传力箱和拉杆质量总和最轻为优化目标,采用遗传算法优化传力箱底板厚度、传力箱侧板厚度、拉杆直径尺寸参数,为液压动力沉桩机结构参数设计提供理论依据。

关键词：液压动力沉桩机-桩-土全系统 ALE方法有限元 BP神经网络

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成型充填过程的ale有限元模拟

应用力学学报 2005年第3期22卷 440-444页

作者：韩先洪李锡夔大连理工大学大连116023

在ale框架中提出了一个用于成型充填过程有限元数值模拟的模型。应用ale参考构形及ale参考粒子速度描写充填过程中的熔体质量运动。摒弃了Hele-Shaw近似假定,因而所提出的模型能用于非薄壁型腔中高分子材料充填过程的数值模拟。应用基... 详细信息

在ale框架中提出了一个用于成型充填过程有限元数值模拟的模型。应用ale参考构形及ale参考粒子速度描写充填过程中的熔体质量运动。摒弃了Hele-Shaw近似假定,因而所提出的模型能用于非薄壁型腔中高分子材料充填过程的数值模拟。应用基于时域分步算法的Taylor-Galerkin方法,对控制成型充填过程的守恒方程建立了弱形式。对移动自由面附近的充填材料区构造了网格生成算法与网格重划分方案。给出了在几种不同形状的典型腔体中充填过程的数值模拟结果,表明了所提出的ale有限元模型模拟充填过程的有效性。

关键词： ALE方法成型充填过程非薄壁型腔 Taylor-Galerkin过程分步算法充填过程有限元模拟控制成型 ale 有限元数值模拟 Galerkin方法网格生成算法模型模拟高分子材料

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输电线路掏挖基础的抗拔承载特性数值分析

水电能源科学 2012年第8期30卷 151-154页

作者：郝冬雪樊广森姜春宝陈榕东北电力大学建筑工程学院吉林吉林132012 惠州出入境检验检疫局综合技术中心广东惠州516000 大连理工大学岩土工程研究所辽宁大连116085

针对输电线路掏挖基础上拔过程中基础底板周围土体的大变形问题,基于有限元软件ABAQUS建立了基础与周围均质地基土体共同作用体系的弹塑性有限元数值分析模型,采用ale法通过变参数计算分析了土性参数、基础埋深与扩大头直径比(H/D)及基... 详细信息

针对输电线路掏挖基础上拔过程中基础底板周围土体的大变形问题,基于有限元软件ABAQUS建立了基础与周围均质地基土体共同作用体系的弹塑性有限元数值分析模型,采用ale法通过变参数计算分析了土性参数、基础埋深与扩大头直径比(H/D)及基础与土接触条件对破坏模式和极限上拔承载力的影响。结果表明,该方法能准确计算和预测输电线路掏挖基础抗拔承载力的实际情况。

关键词：有限元分析掏挖基础 ALE方法极限上拔力破坏模式

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激光加载冲击波的形成和表面喷射现象研究

激光加载冲击波的形成和表面喷射现象研究

扰动风作用下微型旋翼流场数值模拟及其流动控制研究

2017年第九届全国青年计算物理学术会议

作者：石艺娜北京应用物理与计算数学研究所

激光加载具有高压(GPaPa)、超快、超高应变率(>10/s)的特点,是近年来研究强冲击条件下材料性能和动力学特性的重要方法,在军事和工程领域具有重要应用背景。在激光辐照过程中,金属靶表面吸收能量,当达到一定温度时会发生熔化、蒸发、电... 详细信息

激光加载具有高压(GPaPa)、超快、超高应变率(>10/s)的特点,是近年来研究强冲击条件下材料性能和动力学特性的重要方法,在军事和工程领域具有重要应用背景。在激光辐照过程中,金属靶表面吸收能量,当达到一定温度时会发生熔化、蒸发、电离而形成等离子体。激光对材料的冲击作用过程可以概括为迎光靶面蒸汽等离子体的膨胀运动和激光驱动强冲击波在材料内部传播造成的响应破坏。本文基于二维任意拉氏-欧拉方法和能量方程热传导项计算,具体研究了脉冲激光辐照金属铝靶的相互作用过程,以及靶材内部激光驱动强冲击波的形成、传播和衰减规律。采用考虑电子、离子项的QEOS状态方程结合不同相态热传导系数的计算形式,数值模拟给出了迎光靶面物质向外膨胀飞散的物理图像,以及铝材料内部的温度场分布,计算得到的相态分布区域接近于实验值。具体讨论了不同时长激光辐照过程、激光参数和铝靶厚度,对冲击波形成以及背光靶面加载波形的影响;采用沟槽缺陷模型,进一步分析了激光冲击加载在背光靶面形成的物质喷射现象。本文方法适用于激光冲击问题模拟,对极端条件下金属材料动态破坏建模和机理研究具有重要意义。

关键词： ALE方法激光加载冲击波表面喷射数值模拟

来源： cnki会议评论

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扰动风作用下微型旋翼流场数值模拟及其流动控制研究

作者：赵贺上海大学

学位级别：硕士

低雷诺数下飞行的微型飞行器，易受到阵风、突风等极端环境的影响，因其所受到的空气动力发生突变而出现剧烈的颠簸甚至发生倾覆。如何提高微型飞行器在扰动风环境下平稳飞行的能力,仍是现今微型飞行器实用化过程中面临的主要技术难题... 详细信息

低雷诺数下飞行的微型飞行器，易受到阵风、突风等极端环境的影响，因其所受到的空气动力发生突变而出现剧烈的颠簸甚至发生倾覆。如何提高微型飞行器在扰动风环境下平稳飞行的能力,仍是现今微型飞行器实用化过程中面临的主要技术难题。本文从流动控制的角度出发，采用数值模拟的方法，对正弦式扰动风作用下微型旋翼式飞行器的流场及旋翼桨叶的周期性变距运动对扰动风的控制规律进行了研究。主要工作包括: 1、针对旋翼转动以及桨叶变距运动的复杂运动系统，研究和发展了一种多层滑移网格技术。其主要思想是，将Navier-Stokes方程采用任意拉格朗日-欧拉(ale)形式进行描述且计算网格采用结构和非结构混合网格布局后，可以分层次设定计算网格。第一层网格固连在桨叶上一起作变距运动，第二层网格作旋转运动，其转动方式与旋翼的转动方式相同，第三层网格为一静止的大网格。在第一层网格的外边界与第二层网格的内边界间、第二层网格的外边界与第三层网格的内边界间均可以相对滑动。与动态嵌套网格技术相比，该多层滑移网格技术一样具备精细刻画局部流场和描述部件间相对运动的能力，但却可以省去繁复的网格间关系的建立过程。 2、研究和发展了一种模拟扰动风的网格速度方法。其思想是，根据相对运动的原理，网格以与扰动风速度大小相等方向相反的速度运动，等同于扰动风的作用。研究中根据微型旋翼尺寸以及扰动风分布特点，认为同一时刻在计算域中的扰动风具有同步性，即扰动风只是时间的函数，与空间无关。在此假定的基础上，采用网格速度方法描述扰动风的作用会变得简单易操作，数值算例也证明了它的有效性。 3、结合以上数值技术,研究了正弦式扰动风环境下的微型单旋翼和共轴式微型双旋翼的气动性能和流动控制问题。结果表明：(a)两种旋翼在周期性扰动风作用下的拉力响应曲线均具有周期性，其波动频率和幅值分别与扰动风频率和幅值成正比例关系;(b)采用周期等角变距主动流动控制方式，能够找到适合的控制参数可以使得两种旋翼在周期性扰动风环境中的拉力波动幅度均得到有效的抑制。

关键词：扰动风微型旋翼流动控制滑移网格技术 ALE方法