基于流体速度势的非线性晃动问题的ALE有限元分析

基于流体速度势，本导出了非线性晃动问题的ALE有限元格式。通过引入ALE运动学描述，使网格的运动独立于流体的运动，通过采用与贮箱固连的非惯性参考系建立控制方程，使网格只须相对贮箱更新，因此运动边界和自由液面的跟踪算法不仅非常简单，而且不会引起网格畸变．本分别采用有限元法和有限差分法进行空间和时间离散，中的算例分别模拟了贮箱受横向激励和俯仰激励时流体的非线性晃动问题，所得结果证实了本方法的有效性与可靠性。中的方法还可进一步推广用于流体—结构耦合问题．     

任意回转面叶栅C网格的数值生成

首先尝试采用任意曲面椭圆方程，数值生成任意回转面上叶栅Ｃ网格，经过对边界条件的仔细处理，生成的网格可保证在周期外边界和重合内边界上网格线导数连续，在叶片表面网格线相互垂直，提出了结合初始网格线分布，控制环绕叶片网格线分布的方法。     

一类二阶守恒单调重映算法

在大变形流体力学问题的数值模拟中，经常会涉及到计算网格的重分。基于不同网格的物理量传递便是所谓的重映技术。重映算法是任意拉格朗日一欧拉方法的重要组成部分，本文描述了一类适用于任意网格的二阶守恒单调重映算法。该算法分为网格内物理量的多项式重构、近似积分计算、物理量的单调修正三个部分。本文采用了最小二乘法的思想构造了网格内物理量的梯度，并且通过对物理量的单调修正，保证了算法的精度和单调性。该算法计算公共表面上的网格间质量的改变，所以可以在任意网格上使用。通过一系列数值算例验证了该算法，并说明本文给出的算法是有效可行的。     

运动激波与气泡串相互作用的多介质数值模拟

通过对激波和流体界面相互作用而诱导的大变形界面演化的数值模拟,验证了Level set 方法精确模拟多个流体界面的有效性.采用间断有限元Galerkin方法求解欧拉方程得到流场解,采用5阶WENO格式求解Level set方程追踪多流体界面,界面附近的边界条件由虚拟流体方法处理.对运动激波和两个气泡相互作用过程进行了数值模拟,得到了不同时刻的压力和密度等值线分布,并分析了计算域中两个气泡同是氦气泡,以及一个是氦气泡,一个是R22气泡情况下的计算结果.计算结果表明:利用多界面Level set方程可高质量地捕捉多个流体界面,处理3种多介质流场数值模拟问题.     

区域法数值模拟短突扩压器流场

在一般曲线坐标下对环形燃烧室突扩压器和其内外环通道流场进行了数值模拟。紊流特征有用工程上常用的κ－ε双方程模型来描述，使用壁面函数法处理曲线壁面边界，采用非交错网格系统和ＳＩＭＰＬＥ算法求解各守恒方程。为了计算方便，利用区域法对复杂的流道进行分块处理，计算所得的速度和压力分布较为合理，表明本方法是可行的。     

任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究:薄膜涡激振动

提出了一种精确测量任意运动变形边界流场的粒子图像速度场PIV算法,能智能识别强流固耦合问题流场测量中任意运动变形的边界信息,然后生成贴体自适应的图像互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。这一算法可大大提高任意运动边界附近流场的测量精度,为流固耦合问题的理论分析和数值计算验证提供可靠的高质量实验数据。针对数字合成给定流场的粒子图像序列,采用所发展的PIV算法对粒子图像区域中的运动变形边界进行了精确识别,高质量地复现了原始流场信息。最后,对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的瞬态流场特征。     

一种新型的直角网格生成方法及应用研究

提出了一种基于背景网格的直角网格新型生成方法。背景网格是用来提供网格加密的信息．通过网格尺度与所得计算参数的比较，定量判断确定网格是否需要加密；而在求解Euler方程计算中，采用的是Jameson的有限体积法，它可以适合任意形状的网格单元，以及四步Runge—Kutta时间推进。本文对NACA0012翼型和复杂多段翼型等问题进行了数值实验。结果表明，这种网格生成方法易于推广到三维情况中去，具有网格生成时间短．收敛速度快，易于处理复杂边界的优点。     

处理动边界问题的无网格/直角网格混合算法

把无网格/直角网格混合算法发展用于涉及动边界的非定常流动计算问题.采用无网格/直角网格混合算法,计算区域整体采用直角网格,只在物面附近嵌入局部无网格.对于动边界问题,本文让主体直角网格保持固定,用原混合算法中的局部无网格区跟随运动边界,使得动边界物面附近有不变的点云结构,避免了点云重构;无网格区与直角网格交界面随边界运动跟踪确定,由于主体基于直角网格,方便了交界面的跟踪.用发展的混合算法,结合非定常Euler方程双时间推进方法,先对翼型作俯仰振荡的非定常跨声速流动进行了数值模拟,计算结果与现有文献和实验数据进行了比较与验证;结合刚体运动方程,成功模拟了二维外挂物投放过程,算例展示出发展的混合算法适合处理大位移运动边界问题.     

二维多介质流动问题的界面处理方法

就二维可压缩多介质流动问题的数值模拟，给出了一种新的界面处理方法。通过在界面处构造Riemann问题,利用Riemann问题的解分别定义界面两边流体的边界条件，由于Riemann问题的解准确地描述了界面处流体的流动状态，因此得到了更加准确的界面边界条件。本文将由Riemann问题的解得到的界面速度外推到整个流场，重新定义速度场，避免了由于速度的大梯度变化而导致的Level—Set等值线相互交错，因而得到了更加精确的界面位置。利用该方法对水下激波与柱型气泡相互作用问题进行数值模拟，结果表明该方法能准确地捕捉各种物理现象。     

多流体碰撞复杂界面的界面追踪法计算

为实现对复杂运动界面的精确描述,本文对多流体碰撞复杂界面问题进行了深入的研究.以欧拉方程的黎曼解为基础,采用MUSCL格式,在现有的FronTier软件包中加入了新的函数和变量,以达到完成复杂界面的计算.FronTier软件包是基于界面追踪方法编写的,可以完成界面不稳定性问题在简单界面情况下的计算.文中的方法成功实现了多流体碰撞复杂界面的计算,计算结果与实际碰撞过程相符.     

基于ALE／SUPG同步交替法求解流固耦合问题

该文基于预测一多步校正方法提出了流固耦合ALE／SUPG有限元同步交替求解法。流体动量方程采用SUPG有限元进行空间离散以消除对流项引起的数值振荡;时间域上的积分采用预测一多步校正（predictor—multicorrector）方法,对流体和结构同时进行预测;在多步校正的过程中对流体固体交替求解,从而在时间上达到同步推进。数值算例与Hughes,Chen等人的结果进行了比较,表明了该文方法的正确性。     

Dynamic Response of Falling Liquid Storage Container Under Transient Impact

The dynamic response performance of a large,cylindrical,fluid-filled steel container under high-speed impact is evaluated through fluid-structure interaction analysis using arbitrary Lagrange-Eulerian(ALE)method.The ALE method is adopted to accurately calculate the structural behavior induced by the internal liquid impact of the container.The stress and strain results obtained from the finite element analysis are in line with the experimental shell impact data.The influences of drop angle,drop height,and flow impact frequency are discussed.Calculation results indicate that the impact stress and damage of the container increase with drop height.However,the amplitude of the oscillation and the impact stress increase when the container and flow impact resonance occur at a certain drop height.The impact stress shows a nonlinear relationship with drop angle.     

分层流体中运动物体与自由面相互作用的实验研究

在静水槽中进行了分层流体中运动物体生成的内重力波与自由面相互作用的实验研究。分层介质为水-盐水以及柴油-盐水两种情形。研究的重点是物体在密度突跃层附近运动时导致的自由面的特定变形，讨论了物体的位置和运动速度等因素对变形形态的影响。对密度突跃层本身的变形特征也作了描述。     

共轴刚性旋翼气动干扰数值计算方法

建立了一个适用于共轴刚性旋翼气动特性分析的数值模拟方法。该方法采用任意拉格朗日欧拉方法(Arbitrary Lagrange Euler,ALE)描述的可压缩Navier-Stokes(N-S)方程求解流场,采用低数值耗散的Roe格式进行空间离散;使用多重嵌套网格方法以模拟双旋翼的运动。针对共轴刚性旋翼配平,引入"差量修正"策略解决了传统配平中雅克比矩阵计算复杂的问题。首先,对Harrington-2共轴双旋翼的悬停气动性能进行了计算,然后,对某2 m直径共轴双旋翼的悬停及前飞状态进行了计算,并与试验值进行了对比。结果表明:在典型状态下拉力系数的计算结果与试验值误差在3%以内,扭矩系数的计算结果与试验值误差基本在5%以内;所采用的数值计算方法对旋翼涡尾迹特征具有较高的捕捉精度,可以有效模拟共轴刚性旋翼悬停和小速度前飞下的复杂流场及其细节特征。     

Accurate Free Vibration of Functionally Graded Skew Plates

The present study aims to analyze free vibration of thin skew plates made of functionally graded material(FGM)by using the weak form quadrature element method.The material properties vary continuously through the thickness according to a power-law form.A novel FGM skew plate element is formulated according to the neutral surface based plate theory and with the help of the differential quadrature rule.For verifications,Numerical results are compared with available data in literature.Results reveal that the non-dimensional frequency parameters of the FGM skew plates are independent of the power-law exponent and always proportional to those of homogeneous isotropic ones when the coupling and rotary inertias are neglected.In addition,employing the physical neutral surface based plate theory is equivalent to using the middle plane based plate theory with the reduced flexural modulus matrix.     

细长体出水动力学的实验研究及数值模拟

航行体出水过程涉及到气液两相交界,流场是非定常且高度非线性的,是一个非常复杂的过程。为了深入研究该问题,采用实验和数值模拟相结合的方法研究了细长体垂直出水过程的水动力特性。实验在二维水箱中进行,采用高速摄影仪拍摄了不同速度下细长体垂直出水流场。数值模拟采用 VOF 模型,结合动网格和 UDF 技术对相应的实验工况进行了模拟。研究了细长体水下运动过程中空泡的生长和溃灭机理,以及细长体出水时对自由液面的干扰规律。实验研究表明:(1)细长体在完全出水时刻出水速度发生突增;(2)随着细长体速度的增大,空泡产生的部位是从尾部开始,然后再在头部出现;(3)当细长体头部没有局部空泡产生的时候,细长体出水时会造成明显液面隆起现象,当细长体头部产生局部空泡后,细长体出水时,没有明显液面隆起现象,但是会产生“喷溅”现象。数值计算表明:在不产生空泡的情况下,细长体头部接近水面到完全出水的过程中,自由液面都会隆起,尾部出水时液面隆起的程度比头部出水时大。通过比较数值计算结果与实验结果,两者吻合较好。     

活动地板关键技术研究

目前对地面效应的研究以及地面效应大小的确定.在风洞中通常用两种方法模拟地面:固定地板、活动地板.用固定地板模拟地面时,由于存在地板边界层,不能真实模拟飞机近地飞行状况.采用活动地板模拟地面时,由于活动带的运行速度和方向与来流一致,在活动地板的表面上不产生边界层,可以真实模拟飞机近地飞行状况,提高地面效应试验数据的精准度.活动地板装置研制涉及很多关键技术,包括活动地板的结构形式选取、活动带材料的选择、活动带的张力控制技术、活动带工作面跳动抑制技术、活动带摩擦发热问题的消除等.介绍了开展活动地板关键技术研究所采用的试验装置、主要研究内容和研究结果,确定了开口风洞活动地板的结构形式和活动带材料,掌握了活动带跳动控制、活动带侧偏控制以及温度监控的控制方式和控制规律.     

双悬臂梁试样能量释放率计算的新方法

基于一阶剪切变形层板理论，提出了一种适用于双悬臂梁试样能量释放率计算的可动边界变分方法解，分层前缘各点的能量释放率为剪力和挠度偏导数之乘积。该方法有较高的计算效率。通过与二维和三维有限元方法的计算比较，验证了本方法的正确性。