金阿芳[1]2004年在《沙纹形成的数值模拟及SPH方法研究》文中提出当前,许多人都感觉到了沙漠化以及环境的退化给人们生活带来的种种危害。这种危害不是一个地区、一个国家的问题,而是全球性的重大问题。本研究主要进行了以下几个方面的工作:(一)学习研究了国内外学者在风沙流动力学领域的研究成果(包括颗粒起动、悬移、跃移和蠕移;风沙流结构、沙纹运动等)。在塔克拉玛干沙漠西北边缘进行了现场风洞实验,得到了典型的沙纹形状,并可根据防沙墙前的风沙流结构和沙纹形状推断出较理想的防沙墙形状。(二)利用气流场和沙流场理论进行了沙纹形成数值模拟,它与以往的数值模拟方法相比对气流场和沙流场的关系运用的比较充分。最后得出的模拟结果与自然状态十分相符。我们也讨论下列情况对计算结果的影响,即(1)沙传输的公式,(2)沙表面的边界条件,(3)计算的网格和(4)计算沙的移动的时间增加量。(叁)对光滑粒子流体动力学(SPH)数值模拟方法进行了研究,系统地总结了SPH 方法的理论基础,并运用SPH程序进行了几种实例的模拟,最后得出的动态结果与实际情况比较相符。(四)本研究的目的是将一种新的数值计算方法(SPH方法)运用到风沙运动的计算中去。并且对这种现象做出高准确性预测。因为沙丘本身空间体积大,运动时间长,所以用观察或实验的方法预测沙丘的移动是很困难的。另一方面,由于近来并行计算机的发展,数值方法在研究这些现象方面似乎是功能很强大。可是由于自己的水平限制和时间上的原因,我还没有做到把这种方法运用到沙纹形状的模拟中去。这将在以后的工作中继续完成。
陈娟[2]2010年在《水下爆炸冲击载荷的SPH算法研究》文中研究表明本文以舰船近场水下爆炸为研究背景,对近场和近边界水下爆炸问题进行了研究分析。近场和近边界水下爆炸问题涉及流场或结构的极大变形、运动物质交界面、冲击波与边界的相互作用和自由表面等特性,应用传统的基于网格的数值方法对此类问题进行模拟研究可能会由于网格发生严重的畸变而导致计算崩溃。而光滑粒子流体动力学(SPH)法是一种自适应、无网格、粒子形式,且具有拉格朗日性质的数值模拟方法,它避免了网格畸变等问题,适宜处理大变形和冲击荷载问题,为水下爆炸的模拟研究奠定了可靠的基础。为此,本文在对SPH方法和水下爆炸的基本理论进行深入研究的基础上,应用SPH方法建立了二维水下爆炸数值模型,并编制了相应的SPH程序组,计算了水下爆炸冲击波载荷强度,求解结果达到了较高精度,验证了SPH方法对水下爆炸过程模拟计算的准确性,并研究了不同参数的变化对水下爆炸冲击载荷的影响。其次,对近边界水下爆炸问题进行了研究分析,包括对沉底水雷爆炸的数值仿真、复杂边界条件下的气泡脉动特性和近自由面水冢现象模拟,使水下爆炸冲击波在界面处的反射、透射现象得到了正确的再现,为研究水下爆炸冲击波与边界的相互作用机理提供了有价值的参考。最后,对传统SPH方法进行了改进,形成了CSPH和GSPH方法,并将其应用到激波管问题和炸药爆轰问题的研究中,通过对叁种方法的计算结果的分析比较,表明修正的SPH方法同样适合于对冲击波问题的求解,且精度得到了提高,数值震荡有所减小。本文将SPH方法成功地用于水下爆炸过程的模拟研究中,揭示了水中冲击波的传播规律和冲击波与界面的相互作用机理,旨在为水下爆炸问题提供一种新型的数值研究方法和准确的冲击波载荷模型,并为舰船结构抗爆抗冲击防护设计提供理论依据。
于秀波[3]2008年在《基于SPH方法的爆轰模拟研究》文中研究表明本文以舰船水下爆炸的研究为背景,对难以使用基于网格数值方法模拟的高能炸药爆炸过程进行研究分析。高能炸药爆炸的极端瞬时具有极大变形和高度非均匀的动力学极端特性,而光滑粒子流体动力学(SPH)方法是一种适合于求解流体动力学问题的自适应、无网格、粒子形式,且具有拉格朗日性质的数值模拟方法,它避免了网格变形等问题,适宜处理大变形和冲击荷载问题,为高能炸药爆轰模拟奠定了可靠的基础。高能炸药一维爆轰问题常被作为测试高能炸药爆炸数值模拟方法的基准检验问题。在爆轰的数值模拟中,采用合适的计算方法及相应的计算程序,在计算机上数值求解流体力学方程组,以正确反映爆轰过程,对于爆轰理论以及工程应用研究,都是十分重要的。本文基于SPH方法应用带有人工粘性的离散化欧拉方程对高能炸药一端引爆半无限长装药爆轰过程和中点引爆有限长装药的爆轰过程进行了数值模拟。从典型爆轰算例来看,SPH方法正确预测了高能炸药爆轰的起爆过程中的关键特征,通过数值模拟结果与理论值和实验C-J值的对比分析可知,应用SPH方法能较好地预测出爆轰过程中的压力、能量、密度和速度分布,且各物理量均达到了较高精度,验证了SPH方法对高能炸药爆轰过程模拟计算的正确性。最后对早期水下爆炸数值分析所用的人工爆炸模型与本文的真实爆炸模型进行了对比分析,并对两种模型进行了详细的分析讨论。本文将SPH方法成功地应用于具有复杂物态方程的水下爆炸高能炸药初始爆轰问题,为水下爆炸提供了一种新型的无网格研究方法和研究基础。
沈雁鸣[4]2008年在《超高速碰撞的叁维光滑粒子流体动力学方法模拟》文中研究说明人类日益频繁的空间活动正产生着越来越多的空间碎片。这类空间碎片数目多,速度大,运行轨迹无规律,且主要分布在人类活动最为频繁的近地轨道。它们的存在,对人类航天活动有严重威胁。人类航天史上就曾多次出现过航天器同碎片撞击引起的失事。因此,研究超高速碰撞问题,做出必要的防护措施,对保障航天器安全至关重要。除此以外,超高速碰撞动力学的研究,在超高速动能毁伤技术、反弹道导弹技术、轻型装甲设计、核反应堆外壳安全防护设计以及类地行星陨石撞击等方面也有相当大的应用前景。固体材料在超高速碰撞过程中所产生的冲击压力远大于它们的屈服强度。在此类碰撞过程的最初阶段,碰撞固体的性态类似于可压缩流体,因此描述流体动力学过程的控制方程就可较精确地描述超高速碰撞过程的最初阶段,并且可以使用计算流体力学(CFD)的方法对这个阶段进行模拟。然而,这个阶段往往伴随着材料大变形及侵彻破裂等问题,传统的网格方法在模拟时往往会出现如网格扭曲畸变、变形界面或者破裂界面难以追踪等缺陷,无法很准确地模拟这一过程。而直接利用离散点构造函数进行数值计算的光滑粒子流体动力学方法(SPH方法)在处理这类问题时则具有较大的优势。本文主要针对超高速碰撞这一复杂物理现象,利用SPH方法开展相关研究,并对其作用机理进行分析。在引言中介绍了研究背景及国内外研究现状,特别介绍了光滑粒子流体动力学方法的发展现状。最后,介绍了本文的工作。第二章介绍了SPH方法及超高速碰撞理论。详细给出了在光滑粒子流体动力学方法中需引入的固体力学本构方程、Mie-Grunersen状态方程和Von Mieses屈服准则。为了克服非物理振荡,引入了人工粘性与人工热流的概念。第叁章为SPH方法程序的建立及其验证。详细介绍了SPH方法程序实现的过程,描述了粒子初始离散方法和边界处理方法。为了提高计算效率,提出了链表搜索方法和粒子扩展方法。在此基础上,通过数值模拟圆钢柱泰勒碰撞,圆钢弹厚板开坑以及铜弹薄板穿透等典型超高速碰撞问题,验证了计算方法和计算程序的正确性。第四章开展了典型工程问题的数值模拟与分析研究。对工程中的一些实际问题如钨合金长杆对厚沙土正面侵彻过程、钨质和钢质穿甲弹对薄钢板的正面穿透和斜撞击以及铝质碎片对航天器Whipple防护结构多板穿透等问题开展了研究,分析了弹体和靶板的材质、形状、速度以及弹体入射角度等参数对碰撞特性的影响,得到了一些有意义的结果。第五章开展了超高速碰撞问题研究中的模化律研究。利用无量纲分析得到了超高速碰撞问题研究中的模化律表达式,并利用数值计算对超高速碰撞模化律进行了分析,通过比较石蜡、橡皮泥和钢等弹靶碰撞的计算结果,评估了这一相似定律的准确性。第六章为结束语。给出了本文的总结,指出了研究中存在的问题及今后工作的方向。
王东[5]2016年在《水流作用下建筑物周围局部冲刷ISPH数值模拟及实验研究》文中研究指明孤立建筑周围的侵蚀问题一直以来都是港口海岸及近海工程中极为重要的研究课题,床面泥沙的过度冲刷将直接导致防波堤、桥墩及护岸结构等海洋建筑物的失稳甚至破坏。对建筑物周围局部冲刷过程及平衡深度进行预报是孤立建筑物工程设计的重要基础。另一方面,由于不可压缩光滑粒子法(ISPH)在求解流体运动控制方程时无需进行自由表面追踪,在处理泥沙运动时也不必求解泥沙输运方程,近些年其研究越来越受到学术界的重视。本文的主要研究成果总结如下:(1)详细研究了不可压缩光滑粒子法最前沿的理论成果,包括光滑粒子法离散N-S方程的改进成果、床面侵蚀的模拟方法以及两相流计算的处理方法。进行各种方法优劣的对比之后,拟在已有高精度、高稳定性、包含CISPH-HS-HLECS修正格式的ISPH多相流模型的基础上,研发局部冲刷数值模型。(2)针对冲刷过程中泥沙运动以悬移质形式运动为主的情况,提出了在侵蚀模型中引入浑水粒子和清水粒子的概念,用于模拟挟沙水流运动;提出了参照层移质理论,确定浑水粒子起动瞬间的初始密度的方法;针对浑水粒子起动,提出了在侵蚀模型中将速度理论零点固定在床面墙粒子下方的虚拟粒子中心,根据床面墙粒子中心点的加权平均流速,并借助对数律流速分布公式计算床面切应力的方法,该方法具有计算简便、稳定性好的优点。(3)模拟了溃坝引起下游床面沙粒冲刷的过程,发现在沙粒以推移质形式运动的前提下,只要数值模型中的粒子初始密度采用与实际沙粒密度一致的值,数值粒子直径直接采用实际沙粒直径,即可得到与实际基本一致的水、沙交界面形态和床面发展时间过程。(4)采用冲刷数学模型研究了持续海啸越流引起的堤后冲刷过程,数值模拟结果与实验相比,无论是最大冲刷深度还是冲刷坑的形状都基本吻合,并发现最大冲刷深度与越顶流高度成正比,与越顶流下落高度成反比,冲刷坑大小与涡旋尺寸有关。但数值模拟得到的冲刷过程远快于实际冲刷过程,原因是数值模型计算粒子的直径远大于实际泥沙粒径。(5)通过单向流物理模型试验,研究了水流作用下圆柱周围的局部冲刷现象。试验中,通过摄像装置实时监测圆柱前、后、侧叁面的床面侵蚀过程,实验重点对比了不同水深和流速条件下的最终平衡冲刷深度和平衡冲刷时间,为叁维数值模型提供了验证资料。(6)运用ISPH模型,对圆柱周围局部叁维流场及局部冲刷过程进行了模拟,在侵蚀模型中考虑了叁维情况下的斜坡对泥沙临界起动条件的影响,得到的流速及水位结果与实测结果一致,成功再现了圆柱周围的马蹄涡和尾涡运动;将叁维冲刷数值结果与实验数据进行对照,表明冲刷形态和最大冲刷深度结果与实验值基本一致。
卢新华[6]2013年在《波流作用下浮泥及泥沙运动的大涡数值模拟》文中认为在河流海岸水流与波浪作用下,泥沙或浮泥会起悬、输移,并由此引起床面变形.床面变形带来了一系列的工程泥沙问题,如海岸侵蚀、水库淤积、桥梁与码头的局部冲刷、航道回淤等问题.对河道及海岸地区泥沙问题的研究有助于我们了解泥沙运动规律,更好地预测河床演变趋势,解决好水利工程中出现的各类泥沙问题.本文采用大涡模拟模型对波浪与水流作用下的浮泥及泥沙运动进行了数值模拟研究.全文主要讨论了如下几个方面的问题：1、本文首先介绍了含自由面、非静压流体运动模拟的大涡模拟数学模型,并依此建立了水流泥沙(浮泥)运动的大涡模拟数学模型.该模型中,自由面采用耦合的Level set与VOF方法(CLSVOF)进行处理;对于泥沙近底边界条件采用新近提出的适用于大涡模拟的泥沙通量模式予以处理.为提高计算效率,基于MPI实现了高效并行计算.2、分析了目前剖面二维及叁维悬移质泥沙输移模型中泥沙重力作用项离散格式可能引起的问题,给出了合理数值离散该项的准则并依此提出了两种新的数值格式予以处理.经明渠湍流泥沙及波浪作用下的泥沙运动模拟检验表明,新提出的数值格式能有效改善传统数值格式所预测的不合理的泥沙浓度场问题.3、采用大涡模拟模型对淤泥质海岸破碎波浪作用下的浮泥运动进行了叁维数值模拟.对水波在浮泥上运动、破碎的过程,破碎波与浮泥相互作用下的流场、能量输运与耗散机制,水-气交界面及水-泥交界面形态等进行了细致分析.研究表明,浮泥的存在使得水波破碎强度减弱并使碎波持续时间变短；碎波过程中的主要能量损失是由水体向空气做功和浮泥的粘性耗散引起.通过对系统中能量输运过程的考察发现,水波破碎时不仅增大了水体中的能量输运强度,而且改变了水体中能量的输运机制；而在泥层中,水波波碎仅是改变了其能量输运强度,而对泥层中的能量输运机制并未造成改变.4、采用大涡模拟模型对沙质海岸破碎波浪作用下的泥沙运动进行了数值模拟.成功模拟了破碎波浪的掀沙过程及其引起的水域泥沙浓度的变化过程.对碎波产生的湍流影响及“波生流”现象进行了分析.揭示了水波破碎过程中掺混的大尺度气泡结构引起的局部泥沙侵蚀效应.总结了研究系统中泥沙起悬、输运及沉降的各个典型阶段.此外,给出了泥沙输运的流速尺度及床面变形的空间尺度.
参考文献：
[1]. 沙纹形成的数值模拟及SPH方法研究[D]. 金阿芳. 新疆大学. 2004
[2]. 水下爆炸冲击载荷的SPH算法研究[D]. 陈娟. 哈尔滨工程大学. 2010
[3]. 基于SPH方法的爆轰模拟研究[D]. 于秀波. 哈尔滨工程大学. 2008
[4]. 超高速碰撞的叁维光滑粒子流体动力学方法模拟[D]. 沈雁鸣. 中国空气动力研究与发展中心. 2008
[5]. 水流作用下建筑物周围局部冲刷ISPH数值模拟及实验研究[D]. 王东. 天津大学. 2016
[6]. 波流作用下浮泥及泥沙运动的大涡数值模拟[D]. 卢新华. 武汉大学. 2013
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