建筑風場數(shù)值模擬網(wǎng)格層塊加密法

采用無網(wǎng)格算法對二維非定常膛口流場進行了數(shù)值模擬.將膛口計算域進行點云離散,采用曲線擬合計算傳播導數(shù),用hllc格式計算數(shù)值通量,運用龍格庫塔法時間推進,得到了一系列隨時間順序的數(shù)值計算結(jié)果,描述了膛口流場的形成發(fā)展過程,清楚地顯示了流場波系結(jié)構(gòu)的變化并對其進行了分析.計算結(jié)果與文獻及實驗結(jié)果相符,表明該數(shù)值計算方法可行,并且具有很好的激波捕捉能力和激波分辨率.

柵格翼是采用一種蜂房結(jié)構(gòu)設(shè)計的升力面和控制面,和傳統(tǒng)舵面相比具有鉸鏈力矩小、能在較大攻角下保持升力等特點,并得到了越來越廣泛的應用。由于柵格尾翼的特殊結(jié)構(gòu),網(wǎng)格生成具有很大的難度。本文采用了結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格的辦法,在彈體和柵格翼的物面附近區(qū)域,生成適合粘性計算的大長寬比的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,彈體網(wǎng)格和柵格翼網(wǎng)格之間采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行填充,滿足非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格交接面的完全對接。本文基于結(jié)構(gòu)/非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格體系采用有限體積方法求解ns方程,對不同舵偏角下的柵格翼構(gòu)形進行了數(shù)值模擬,并通過實驗結(jié)果對數(shù)值方法進行了驗證。

基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對翼型表面的積冰進行了數(shù)值模擬研究.通過求解氣體歐拉方程得到翼型的繞流流場,使用穿透型壁面邊界模擬水滴對翼型表面的撞擊,采用迭代法對水滴控制方程進行數(shù)值求解,得到翼型表面的水滴收集特性;采用不同的積冰凍結(jié)模型模擬霜冰和明冰的凍結(jié)過程;利用冰層時間推進法模擬積冰過程,基于積冰法向生長假設(shè)生成積冰外形.對naca0012翼型霜冰和明冰的結(jié)冰情況進行了預測研究,通過將冰形預測結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比說明所提出的積冰模擬方法是有效的,最后分析了積冰對翼型氣動特性的影響.

基于移動最小二乘法近似函數(shù)和以有限元網(wǎng)格作為積分背景網(wǎng)格的無網(wǎng)格法理論,對板料沖壓成形過程進行了數(shù)值模擬,利用罰函數(shù)法引入本質(zhì)邊界條件處理成形過程中的接觸摩擦問題,并將模擬結(jié)果與有限元法計算結(jié)果進行對比,結(jié)果表明:無網(wǎng)格伽遼金法的計算結(jié)果與有限元法計算結(jié)果基本吻合,無網(wǎng)格伽遼金法作為新興的數(shù)值計算方法,具有前后處理簡單,精度高等特點,為板料沖壓成形的數(shù)值模擬提供了一種有效的新方法。

為了解決流固耦合問題中的物體大幅度運動帶來的困難,采用ale(arbitrarylagrange-euler)動網(wǎng)格方法跟蹤自由表面上浮體的運動。計算表明:浮體在無粘流體中的垂蕩與彈簧-物體的振動模型理論解符合得較好;浮體在粘性流體中的自由橫搖為阻尼運動,其橫搖角度隨時間的增加而減小,且在不同初始角度下運動系統(tǒng)的固有周期相當。在有外力力矩激勵時,外力力矩的周期與系統(tǒng)的固有周期相當時浮體橫搖運動趨于共振狀態(tài),運動幅度最大。計算結(jié)果驗證了計算程序的可靠性與精度。本文方法為ale方法應用于流體-多浮體耦合運動分析奠定了基礎(chǔ)。

無網(wǎng)格法數(shù)值模擬基于變分原理,采用權(quán)函數(shù)來擬合真實解,因此,權(quán)函數(shù)的構(gòu)造形式至關(guān)重要。無網(wǎng)格法不需要網(wǎng)格單元,只需具體的節(jié)點信息,是一種很有前途的數(shù)值模擬方法。在已有研究工作的基礎(chǔ)上提出一種復雜河道平面區(qū)域布點算法,利用該方法生成的離散節(jié)點可直接用于無網(wǎng)格法數(shù)值模擬計算,也可以進一步利用各種網(wǎng)格化方法,由散點生成無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。為了控制散點分布密度,引入了密度控制函數(shù)。區(qū)域布點算法的一個關(guān)鍵技術(shù)是點包含算法,給出了一種既簡便又易于實現(xiàn)的算法。應用實例檢驗了所提出的方法的可行性,并編制了fortran語言環(huán)境下的自動生成程序。

采用任意六面體同位網(wǎng)格系統(tǒng)對控制方程進行離散,顯式修正了網(wǎng)格非正交性和兩相鄰網(wǎng)格的錯位,構(gòu)建了與網(wǎng)格系統(tǒng)相適應的simple算法,并編制通用的建筑間風致干擾的數(shù)值模擬程序wsb.應用wsb和任意六面體同位網(wǎng)格系統(tǒng),對中國沿海地區(qū)典型的低層雙坡建筑物與上風不同體型建筑物之間的風致干擾進行數(shù)值模擬和分析.結(jié)果表明:任意六面體同位網(wǎng)格系統(tǒng)的生成、控制方程的離散、simple算法的實現(xiàn)以及程序wsb正確且有效;上風建筑對抗風起著積極的作用;上風建筑及其體型的不同對低層雙坡屋面建筑坡面風壓大小和分布形態(tài)影響顯著.

采用分區(qū)拼接網(wǎng)格技術(shù),對dlr-f6機翼/機身/掛架/短艙復雜組合體進行拼接網(wǎng)格分布。并采用mentersst湍流模型,通過求解navier-stokes方程,對該組合體外流場以及發(fā)動機短艙內(nèi)流場進行了一體化數(shù)值模擬,與相應風洞實驗數(shù)據(jù)及分區(qū)搭接網(wǎng)格計算結(jié)果進行了比較與分析,驗證了拼接網(wǎng)格技術(shù)的高效性與可靠性。同時通過分析對比不同插值方法的計算結(jié)果,研究了插值方法對拼接精度的影響;通過分析對比幾組不同的拼接網(wǎng)格算例,總結(jié)出了3個拼接網(wǎng)格的基本實施準則。證明了拼接網(wǎng)格能夠大幅度減小計算網(wǎng)格數(shù)目,可以更加靈活地分布網(wǎng)格節(jié)點,這樣既可以縮短計算時間,又可以降低對內(nèi)存的需求,提高了計算效率;同時無論整體的力系數(shù),還是局部的壓力分布流場細節(jié)都能夠滿足工程精度。

基于laplace插值函數(shù)提出了一種類似于無單元伽遼金法的無網(wǎng)格方法——無網(wǎng)格自然鄰接點法。該方法克服了自然單元法需要全域三角形網(wǎng)格以及無單元伽遼金法難以準確施加位移邊界條件和材料不連續(xù)條件、形函數(shù)的計算復雜、權(quán)函數(shù)的選擇困難等缺點,適合于考慮多種材料、多步施工過程等復雜巖土工程的自動數(shù)值模擬。詳細討論了這種無網(wǎng)格自然鄰接點法的分析過程和基本理論,給出其在桿、梁、節(jié)理單元和材料不連續(xù)面等方面的處理辦法,并用一些標準算例和實際的地下工程算例對本文方法的效率、精度和可靠性進行了驗證。

討論組合網(wǎng)格法(compositegridmethod,cgm)在有限元程序自動生成系統(tǒng)平臺(finiteelementprogramgenerator,fepg)上的具體實現(xiàn)。該算法在整個求解區(qū)域上采用粗細兩套網(wǎng)格求解,不要求規(guī)則網(wǎng)格和粗細兩套網(wǎng)格嵌套,兩套網(wǎng)格單獨剖分、互不影響,能處理復雜的問題。該算法用于實際工程計算的迭代次數(shù)少,與常用的有限元方法所求得的解相符合,具有更加廣泛的應用范圍,符合科學和工程計算的實際要求。對攪拌摩擦焊接問題使用組合網(wǎng)格法進行數(shù)值模擬,取得了理想的仿真結(jié)果。

文章研究了應用于不可壓縮流體流動的simple算法來模擬黃河泥沙運移過程,嘗試把同位網(wǎng)格中的simple算法應用到河流動力學計算中,數(shù)值實驗表明該方法能夠合理地反映流場和泥沙沖淤過程,在程序設(shè)計上比在交錯網(wǎng)格中更為簡潔,而且模擬結(jié)果也更加準確可靠。

提出一種實用的插值方法,生成寧夏沙坡頭天然河道的計算網(wǎng)格,并在該網(wǎng)格上計算恒定流,發(fā)現(xiàn)與實測符合良好。

針對有限元法等傳統(tǒng)數(shù)值計算方法存在受單元網(wǎng)格限制、前后處理工作復雜的問題,提出應用一種數(shù)值計算方法——無網(wǎng)格伽遼金法,對具有簡單邊界條件的水利水電工程施工導流的恒定二維淺水流動問題進行了分析、計算.同時利用有限元法進行了對比計算,從流速、水位的計算結(jié)果來看,兩種計算方法結(jié)果相近、誤差較小,表明采用無網(wǎng)格伽遼金法解決此類問題是可行的.

采用間接方法生成四邊形網(wǎng)格,首先利用改進的兩點前沿推進法把計算區(qū)域剖分成三角形網(wǎng)格,然后采用插點和細分的技術(shù)生成單元全部是四邊形的網(wǎng)格,通過邊互換、刪點和局部插點技術(shù)進一步光滑平順,得到適用于數(shù)值計算的網(wǎng)格。剖分結(jié)果表明,該方法能夠在任意二維平面區(qū)域內(nèi)自動生成全四邊形網(wǎng)格,并能生成光滑過渡的局部加密網(wǎng)格和貼體性較好的邊界層網(wǎng)格。該方法具有算法簡單,計算量少的特點。利用所生成的網(wǎng)格對計算傳熱學中的典型算例-方腔自然對流進行求解,計算結(jié)果與基準解吻合,網(wǎng)格質(zhì)量能夠滿足數(shù)值分析計算的要求。

針對建筑物復雜外形的結(jié)構(gòu)特點,創(chuàng)建了貼體網(wǎng)格生成方法和基于同位網(wǎng)格的數(shù)值模擬算法。在通過與實驗進行對比驗證的基礎(chǔ)上,數(shù)值模擬了不規(guī)則屋頂建筑物、大型體育館等復雜外形建筑物內(nèi)的氣流組織分布。研究結(jié)果表明:所提出的基于貼體網(wǎng)格的同位布置算法及其計算程序具有較好的通用性,能用于各種不規(guī)則幾何形狀空調(diào)建筑內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬研究。

無網(wǎng)格自然鄰接點法及其在巖土工程數(shù)值模擬中的應用——基于laplace插值函數(shù)提出了一種類似于無單元伽遼金法的無網(wǎng)格方法——無網(wǎng)格自然鄰接點法。該方法克服了自然單元法需要全域三角形網(wǎng)格以及無單元伽遼金法難以準確施加位移邊界條件和材料不連續(xù)條件、形函...

采用作者等人開發(fā)的基于deform-3d與pro/engineer的網(wǎng)格行重構(gòu)技術(shù),對典型大斷面空心鋁合金工業(yè)型材分流模擠壓全過程(包括焊合過程)進行了模擬分析。結(jié)果表明,采用某企業(yè)的現(xiàn)行模具設(shè)計方案,擠壓初始階段,型材兩側(cè)焊合面率先產(chǎn)生焊合,中間部位焊合面的焊合相對滯后,導致擠出型材斷面的中間位置金屬流量不足,同時模芯出現(xiàn)彈性偏移,易造成壁厚超差;擠壓穩(wěn)態(tài)階段,?？赘浇筒牡淖罡邷囟葹?20℃、焊合室內(nèi)的靜水壓力約為a6005鋁合金屈服強度的5~10倍、模芯彈性偏移量為0.43mm,基本滿足型材擠出溫度、焊合質(zhì)量及壁厚尺寸公差的要求。

本文從建筑繞流風場數(shù)值模擬問題的功能并行性出發(fā)，依據(jù)重新排序的并行化原則。建立了三處理機ｔｒａｎｓｐｕｔｅｒ并行系統(tǒng)基于ｓｉｍｐｌｅｃ算法的一種所謂方程分離并行策略，對該策略的求解步驟，數(shù)據(jù)通訊并行效率等進行了分析，并與區(qū)域分裂并行策略作了比較。文末給出了計算實例，計算結(jié)果表明方程分離策略的并行粒度大，數(shù)據(jù)通訊簡單，收斂性較好，采用該策略可獲得較高的并行效率。

本文以fluent軟件和高性能集群作為數(shù)值模擬平臺,通過改變高層建筑物高度進行了并行數(shù)值模擬。并對并行數(shù)值模擬結(jié)果和集群并行計算效率進行了分析,分析結(jié)果表明：隨著建筑物高度的增加,建筑物周圍最大風速和最大風速比增大,建筑物對其周圍空氣流動的影響增強。在并行計算中,當cpu個數(shù)相同時,隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加,并行效率呈增加趨勢但增大的幅度越來越小;當網(wǎng)格數(shù)相同時,隨著cpu個數(shù)增加,并行計算效率呈減小趨勢。

給出了一種適用于計算建筑結(jié)構(gòu)非定常繞流風場的大渦數(shù)值模擬算法.該算法基于有限差分法,采用曲線坐標結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,能精確描述形狀復雜的物面邊界,為下一步準確模擬含有因結(jié)構(gòu)受風變形所致運動邊界的繞流場奠定了基礎(chǔ).該算法采用投影法解耦納維-斯托克斯方程中的壓力和速度,對非定常流場的時間步進采用二階adams-bashforth方法.采用同位網(wǎng)格以減少計算所需內(nèi)存,為了平抑同位網(wǎng)格下中心差分格式導致的固有壓力波動現(xiàn)象,計算對流速度時采用rhie-chow動量插值方法,利用編制的曲線坐標系下大渦模擬數(shù)值計算程序,對德州理工大學(ttu)建筑足尺模型繞流風場進行了模擬,所得結(jié)果與現(xiàn)場實測和風洞試驗結(jié)果進行了比較.結(jié)果表明,本文算法是建筑結(jié)構(gòu)非定常繞流風場數(shù)值模擬的有效方法.

在結(jié)構(gòu)焊接數(shù)值模擬中,運用熱彈塑性有限元方法進行分析的主要問題是計算時間長、內(nèi)存需求大。由于熱影響區(qū)具有高度的非線性特征,溫度、應力應變梯度較大,單元應當劃分得很細;而遠離焊縫的絕大部分區(qū)域仍然處于線彈性狀態(tài),單元可劃分得相對較粗。這樣就可對焊接構(gòu)件不斷進行網(wǎng)格重新劃分,使細密的網(wǎng)格隨著熱源一起移動,從而減少計算的規(guī)模。研究了三維六面體網(wǎng)格重劃分技術(shù),進行不同網(wǎng)格之間的變量映射,實現(xiàn)模型網(wǎng)格重劃分前后分析步的銜接。對平板和圓管的焊接分別進行了網(wǎng)格重劃分和完整網(wǎng)格模型條件下的數(shù)值模擬,提取了焊接溫度、焊接變形和殘余應力。結(jié)果表明,網(wǎng)格重劃分技術(shù)在保證計算精度的前提下,提高約30%的計算效率。

利用有限元分析軟件mscmarc,采用不同網(wǎng)格劃分方法,分別建立板材激光彎曲成形的三維彈塑性熱力耦合有限元模型。其中一些模型引入了網(wǎng)格自適應技術(shù)。用這些模型計算分析了6mm船用鋼板激光彎曲成形過程的溫度場及變形場。結(jié)果表明,自適應技術(shù)有效的縮短了模擬計算的時間,在精度變化不大的情況下,大大提高分析效率。計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。