建筑风场任意六面体同位网格系统数值模拟

针对建筑物复杂外形的结构特点,创建了贴体网格生成方法和基于同位网格的数值模拟算法。在通过与实验进行对比验证的基础上,数值模拟了不规则屋顶建筑物、大型体育馆等复杂外形建筑物内的气流组织分布。研究结果表明:所提出的基于贴体网格的同位布置算法及其计算程序具有较好的通用性,能用于各种不规则几何形状空调建筑内气流组织的数值模拟研究。

本文根据线弹性力学的有限单元法,选用六面体单元,借助fortran90具有模块化、封装机制、自定义等编程特性,开发线弹性阶段的六面体单元计算程序,为计算地基沉降提出一种可行、有效的方法.并利用该方法能自行修订所需参数,以达到计算精度要求.最后,通过与ansys软件计算模拟地基沉降的结果比较与分析,验证其可靠性和适用性,并对比不同节点六面体单元的精确度.

提出将三维地质建模技术与岩土工程数值模拟相结合,发挥三维地质建模在刻画地质实际上的优势,为数值模拟提供尽可能准确的地质模型;借鉴基于剖面的建模技术,形成了适合于六面体剖分的三维地质建模方法;在此基础上,利用多重映射网格,实现了复杂构造岩体六面体网格剖分;将该技术应用到杨村煤矿西淝河左堤下采煤可行性分析研究中,取得了较好的效果。

文章研究了应用于不可压缩流体流动的simple算法来模拟黄河泥沙运移过程,尝试把同位网格中的simple算法应用到河流动力学计算中,数值实验表明该方法能够合理地反映流场和泥沙冲淤过程,在程序设计上比在交错网格中更为简洁,而且模拟结果也更加准确可靠。

以sph算法为代表的无网格方法在爆轰波的数值模拟中具有明显的优势,采用sph算法模拟高能炸药水下爆炸爆轰过程,得到了压力、速度等时历曲线.将数值模拟结果与理论和实验方法得到的结果进行了对比分析,表明sph算法非常适宜处理高能炸药水下爆炸的极短瞬时具有大变形和高度非均匀的动力学极端情形,且求解结果已达到了较高的精度。

基于非结构网格对翼型表面的积冰进行了数值模拟研究.通过求解气体欧拉方程得到翼型的绕流流场,使用穿透型壁面边界模拟水滴对翼型表面的撞击,采用迭代法对水滴控制方程进行数值求解,得到翼型表面的水滴收集特性;采用不同的积冰冻结模型模拟霜冰和明冰的冻结过程;利用冰层时间推进法模拟积冰过程,基于积冰法向生长假设生成积冰外形.对naca0012翼型霜冰和明冰的结冰情况进行了预测研究,通过将冰形预测结果与实验结果进行对比说明所提出的积冰模拟方法是有效的,最后分析了积冰对翼型气动特性的影响.

采用无网格算法对二维非定常膛口流场进行了数值模拟.将膛口计算域进行点云离散,采用曲线拟合计算传播导数,用hllc格式计算数值通量,运用龙格库塔法时间推进,得到了一系列随时间顺序的数值计算结果,描述了膛口流场的形成发展过程,清楚地显示了流场波系结构的变化并对其进行了分析.计算结果与文献及实验结果相符,表明该数值计算方法可行,并且具有很好的激波捕捉能力和激波分辨率.

栅格翼是采用一种蜂房结构设计的升力面和控制面,和传统舵面相比具有铰链力矩小、能在较大攻角下保持升力等特点,并得到了越来越广泛的应用。由于栅格尾翼的特殊结构,网格生成具有很大的难度。本文采用了结构、非结构混合网格的办法,在弹体和栅格翼的物面附近区域,生成适合粘性计算的大长宽比的结构网格,弹体网格和栅格翼网格之间采用非结构网格进行填充,满足非结构网格和结构网格交接面的完全对接。本文基于结构/非结构网格体系采用有限体积方法求解ns方程,对不同舵偏角下的栅格翼构形进行了数值模拟,并通过实验结果对数值方法进行了验证。

基于移动最小二乘法近似函数和以有限元网格作为积分背景网格的无网格法理论,对板料冲压成形过程进行了数值模拟,利用罚函数法引入本质边界条件处理成形过程中的接触摩擦问题,并将模拟结果与有限元法计算结果进行对比,结果表明:无网格伽辽金法的计算结果与有限元法计算结果基本吻合,无网格伽辽金法作为新兴的数值计算方法,具有前后处理简单,精度高等特点,为板料冲压成形的数值模拟提供了一种有效的新方法。

为了解决流固耦合问题中的物体大幅度运动带来的困难,采用ale(arbitrarylagrange-euler)动网格方法跟踪自由表面上浮体的运动。计算表明:浮体在无粘流体中的垂荡与弹簧-物体的振动模型理论解符合得较好;浮体在粘性流体中的自由横摇为阻尼运动,其横摇角度随时间的增加而减小,且在不同初始角度下运动系统的固有周期相当。在有外力力矩激励时,外力力矩的周期与系统的固有周期相当时浮体横摇运动趋于共振状态,运动幅度最大。计算结果验证了计算程序的可靠性与精度。本文方法为ale方法应用于流体-多浮体耦合运动分析奠定了基础。

无网格法数值模拟基于变分原理,采用权函数来拟合真实解,因此,权函数的构造形式至关重要。无网格法不需要网格单元,只需具体的节点信息,是一种很有前途的数值模拟方法。在已有研究工作的基础上提出一种复杂河道平面区域布点算法,利用该方法生成的离散节点可直接用于无网格法数值模拟计算,也可以进一步利用各种网格化方法,由散点生成无结构网格。为了控制散点分布密度,引入了密度控制函数。区域布点算法的一个关键技术是点包含算法,给出了一种既简便又易于实现的算法。应用实例检验了所提出的方法的可行性,并编制了fortran语言环境下的自动生成程序。

采用分区拼接网格技术,对dlr-f6机翼/机身/挂架/短舱复杂组合体进行拼接网格分布。并采用mentersst湍流模型,通过求解navier-stokes方程,对该组合体外流场以及发动机短舱内流场进行了一体化数值模拟,与相应风洞实验数据及分区搭接网格计算结果进行了比较与分析,验证了拼接网格技术的高效性与可靠性。同时通过分析对比不同插值方法的计算结果,研究了插值方法对拼接精度的影响;通过分析对比几组不同的拼接网格算例,总结出了3个拼接网格的基本实施准则。证明了拼接网格能够大幅度减小计算网格数目,可以更加灵活地分布网格节点,这样既可以缩短计算时间,又可以降低对内存的需求,提高了计算效率;同时无论整体的力系数,还是局部的压力分布流场细节都能够满足工程精度。

结合低层民房风荷载及抗风性能的研究,基于reynolds时均n-s方程,采用由标准k-e湍流模型扩展的rngk-e模型,对一幢低层双坡屋面单体房屋和由六幢该类房屋组成的群体建筑的周围风场及表面风压进行了数值模拟。数值模拟采用具有良好适应性的四面体单元进行计算区域的网格划分,顶点中心格式的有限容积法进行控制微分方程的离散,simple压力校正迭代算法实现对非线性离散化方程的求解。在单体计算结果和风洞试验结果有较好吻合的前提下,重点获得了群体效应下低层双坡屋面房屋表面风压的分布规律和特征。

本文采用数值模拟方法预测由近地三维流动风引起的建筑物的表面风压。文中运用一种扩展的ｋ－ε紊流封闭模型，导得了稳态流动风的统一形式的控制微分方程。采用控制容积法对微分方程作了离散，ｓｉｍｐｌｅｃ压力校正迭代算法实现了非线性离散化方程的求解。实例计算与分析比较表明，本文的模拟方法改善了对建筑物侧风面和顶面风压值的预测。

采用作者等人开发的基于deform-3d与pro/engineer的网格行重构技术,对典型大断面空心铝合金工业型材分流模挤压全过程(包括焊合过程)进行了模拟分析。结果表明,采用某企业的现行模具设计方案,挤压初始阶段,型材两侧焊合面率先产生焊合,中间部位焊合面的焊合相对滞后,导致挤出型材断面的中间位置金属流量不足,同时模芯出现弹性偏移,易造成壁厚超差;挤压稳态阶段,模孔附近型材的最高温度为520℃、焊合室内的静水压力约为a6005铝合金屈服强度的5~10倍、模芯弹性偏移量为0.43mm,基本满足型材挤出温度、焊合质量及壁厚尺寸公差的要求。

本文从建筑绕流风场数值模拟问题的功能并行性出发，依据重新排序的并行化原则。建立了三处理机ｔｒａｎｓｐｕｔｅｒ并行系统基于ｓｉｍｐｌｅｃ算法的一种所谓方程分离并行策略，对该策略的求解步骤，数据通讯并行效率等进行了分析，并与区域分裂并行策略作了比较。文末给出了计算实例，计算结果表明方程分离策略的并行粒度大，数据通讯简单，收敛性较好，采用该策略可获得较高的并行效率。

本文以fluent软件和高性能集群作为数值模拟平台,通过改变高层建筑物高度进行了并行数值模拟。并对并行数值模拟结果和集群并行计算效率进行了分析,分析结果表明：随着建筑物高度的增加,建筑物周围最大风速和最大风速比增大,建筑物对其周围空气流动的影响增强。在并行计算中,当cpu个数相同时,随着网格数量的增加,并行效率呈增加趋势但增大的幅度越来越小;当网格数相同时,随着cpu个数增加,并行计算效率呈减小趋势。

本文采用数值模拟方法预测由近地三维流动风引起的建筑物的表面风压。文中运用一种扩展的ｋ－ε紊流封闭模型，导得了稳态流动风的统一形式的控制微分方程。采用控制容积法对微分方程作了离散，ｓｉｍｐｌｅｃ压力校正迭代算法实现了非线性离散化方程的求解。实例计算与分析比较表明，本文的模拟方法改善了对建筑物侧风面和顶面风压值的预测。

基于计算流体动力学(cfd)中的大涡模拟(les)技术,应用经典的smagorinsky亚格子模型对三维大跨球面屋顶结构在大气边界层风剖面环境内的风场进行了数值模拟。数值算例显示,三维球面屋顶结构周围的流向速度场(u)和竖向速度场(w)分布十分复杂,基于cfd数值计算的大涡模拟方法可以随时间精细、稳定和有效的刻画球面屋顶结构周围复杂的三维风场分布。

基于laplace插值函数提出了一种类似于无单元伽辽金法的无网格方法——无网格自然邻接点法。该方法克服了自然单元法需要全域三角形网格以及无单元伽辽金法难以准确施加位移边界条件和材料不连续条件、形函数的计算复杂、权函数的选择困难等缺点,适合于考虑多种材料、多步施工过程等复杂岩土工程的自动数值模拟。详细讨论了这种无网格自然邻接点法的分析过程和基本理论,给出其在杆、梁、节理单元和材料不连续面等方面的处理办法,并用一些标准算例和实际的地下工程算例对本文方法的效率、精度和可靠性进行了验证。

在结构焊接数值模拟中,运用热弹塑性有限元方法进行分析的主要问题是计算时间长、内存需求大。由于热影响区具有高度的非线性特征,温度、应力应变梯度较大,单元应当划分得很细;而远离焊缝的绝大部分区域仍然处于线弹性状态,单元可划分得相对较粗。这样就可对焊接构件不断进行网格重新划分,使细密的网格随着热源一起移动,从而减少计算的规模。研究了三维六面体网格重划分技术,进行不同网格之间的变量映射,实现模型网格重划分前后分析步的衔接。对平板和圆管的焊接分别进行了网格重划分和完整网格模型条件下的数值模拟,提取了焊接温度、焊接变形和残余应力。结果表明,网格重划分技术在保证计算精度的前提下,提高约30%的计算效率。

讨论组合网格法(compositegridmethod,cgm)在有限元程序自动生成系统平台(finiteelementprogramgenerator,fepg)上的具体实现。该算法在整个求解区域上采用粗细两套网格求解,不要求规则网格和粗细两套网格嵌套,两套网格单独剖分、互不影响,能处理复杂的问题。该算法用于实际工程计算的迭代次数少,与常用的有限元方法所求得的解相符合,具有更加广泛的应用范围,符合科学和工程计算的实际要求。对搅拌摩擦焊接问题使用组合网格法进行数值模拟,取得了理想的仿真结果。