膜结构风振中流固耦合效应的数值模拟研究

对膜结构风致振动中的流固耦合效应进行了数值模拟研究。采用数值模拟方法中的强耦合整体方法,引入伪实体模型,通过伪实体模型方程,流体方程与结构方程的隐式弱形式来构成整个体系的强耦和整体式方程。采用该方法对双坡型膜结构在考虑和不考虑耦合效应下的风振响应等重要参数进行了计算分析,并将计算结果与已有风洞试验结果进行对比,结果符合良好。同时计算了结构周围空气的风速矢量、压力场分布,得到了空气流体场的变化规律。结果表明采用强耦合整体方法计算所得的解具有很好的收敛性,可以较准确地预测膜结构的风致动力响应。     

湍流对高层建筑风压幅值特性影响的研究

风荷载是高层建筑设计的控制荷载之一,来流湍流对结构风荷载分布和风致响应有很大的影响,研究来流湍流对高层建筑风荷载的影响有很重要的实际意义。本文主要研究来流湍流强度对高层建筑风压幅值特性的影响。为形成不同的湍流强度,本文采用风洞试验的方法,共模拟了五种风场,对2种不同断面相同高度共2个模型进行了研究。结果表明,当湍流强度比我国D类风场的湍流强度明显增大时,模型的四个侧面的平均风压系数在数值上是增大的,但是在背风面和侧面的平均风压系数绝对值是减小的;在D+风场中,背风面和侧风面出现了小正压。特别是背风面平均风压系数增加量比迎风面前后对应位置增加量更大,从而使整个结构所受的平均风阻力减小。高湍流强度对高层建筑表面风压有明显影响(如小正压),可为高层建筑抗风设计提供参考。     

超高层建筑风致振动的现场实测与数值模拟

通过采用现场实测和数值模拟方法,对某超高层建筑的风致振动特性进行研究。在建筑物顶部布置结构振动监测系统,对常态风和台风作用下的结构振动响应进行测量,分析加速度、位移幅值和结构的自振特性。以实测动力特性为基础,建立超高层建筑的等效气动弹性模型,采用平均风剖面入口,联合ANSYS和CFX对风场与建筑物的流固耦合振动进行数值模拟,得到不同顶部风速下,建筑物不同高度处的位移时程、气动力系数时程及频谱分析、尾流旋涡脱落模式。将数值模拟结果与现有的实测结果进行对比分析,表明该方法模拟流固耦合振动是可行的,并可为实际超高层建筑的抗风设计和舒适性计算提供技术依据。     

平板网架结构固有振动的ANSYS有限元分析

把平板网架结构简化为空间桁架体系，利用大型数值仿真计算软件ANSYS对其进行模态分析。文中介绍了平板网架结构ANSYS分析的方法与相关命令流，讨论了质量分布模型对分析结果的影响，并采用拟夹层板法来验证了模态分析的正确性。     

液化场地地震反应的离散元数值模拟

采用一个描述饱和砂土中固相颗粒和液相流体耦合的离散元数值模型,固相颗粒采用离散元的颗粒流理论(PFC)模拟,液相流体通过求解平均Navier-Stokes方程的计算流体动力学(CFD)技术计算.采用上述模犁数值模拟了在地震荷载作用液化场地的加速度、剪应力、剪应变时程以及超孔隙水压力和土层表面位移的发展过程.数值模拟结果...     

大气—水耦合模式下三维太湖湖流场研究

利用太湖区域的大气边界层三维数值模式和三维水动力学数值模式。采用气－水耦合方法，对太湖的风生流特征进行了深入研究。结果表明，太湖区域大气边界层风场具有明显的时空变化特征，与均匀定常风作用下的太湖流场相比，大气－水耦合模式下太湖流场变化较大，形成稳定湖流场所需的时间也较长。三维模式计算出的流速值明显比二维模式大（表层约大一倍，整层平均约大５０％），且与实际观测值符合较好。故即使对于橡太湖这样的浅水湖     

含两种不相混流体的饱和孔隙介质的波场模拟

文中对含两种不相混流体的饱和孔隙介质模型进行了波场模拟,该模型基于封闭型系统假设,考虑了流相与固相的相对运动和孔隙率、饱和度(毛细管压力)的松弛机制,可以较好的模拟波场的数值衰减。与目前常用的等效流体方法和基于开敞系统假设的非饱和孔隙介质模型相比,更符合勘探阶段的实际情况。前人对该介质模型平面波的速度和衰减做了一定的研究,但对整个波场的计算研究还未见报道。本文推导了该模型包含毛细管压力和孔隙度松弛机制的波动方程,并利用有限元的方法进行了波场模拟,并对波场特征进行了分析。数值模拟结果表明,在地震频段,非湿相位移波场中慢波p3较为清晰;毛细管压力(饱和度)和孔隙度的松弛效应对非湿相流体位移有较大影响,随松弛系数的增大,位移减小。     

考虑垂直涡粘系数非均匀分布的太湖风生流准三维数值模型

本文在考虑垂向涡粘系数沿水深变化的基础上,采用准三维风生环流数值模式对稳定和不稳定风场作用下的太湖流场进行模拟计算,结果令人满意,从模拟结果的比较中可以得出：垂向涡粘系数沿水深变化对水位的计算影响不大,但对流速的垂向分布和底床切应力的计算有较大影响,因此,考虑垂向涡粘系数沿水深变化的风生流准三维数值模型可较好地模拟太湖三维风生流场。     

太湖水动力学三维数值试验研究─2.典型风场风生流的数值计算

本文用垂直谢匀分五层,水平网络蹁为１ｋｍ的压缩σ坐标系下的三维数值模型,计算了太湖典型风场ＳＥ,ＮＷ,ＳＷ风生流,分析了太湖湖流及由各层流场平均得到的整层平均流肪在这三种典型风场作用下随时间的演变特征,探讨了风应力,水面倾斜压强梯度力,湖底摩擦力三者对湖流垂直结构的影响,初步揭示了太湖湖流垂直结构形成的机理。     

地下结构地震作用的简化分析方法研究

随着地下结构建设的飞速发展,地下结构工程师不仅面临众多的地下结构静力设计问题,同时也面临着抗震设计问题。目前,利用大型商业软件对地下结构的动力时程分析及模型试验研究已开展较多,但其研究成果还较难应用于实际的地下结构抗震设计之中。同时,我国抗震设计规范还处于研究、发展阶段。因此,建立一套便于工程应用的简化抗震设计方法是十分必要的。本文首先从地下结构拟静力解析解方面着手,采用弹性解析解的方法探讨了自由场变形与地下结构变形之间的相互关系;然后,采用数值模拟的方法,对自由场与地下结构的动力反应特性进行了系统研究,提出了地下结构简化设计方法的基本思路,在此基础上,基于子结构法分别对反应位移法、静力有限元法进行了理论推导及方法改进;最后,介绍了地下结构弹塑性分析方法,并对地下结构拟静力实验进行了数值模拟。本文主要研究工作及研究成果如下:(1)基于解析解的自由场与地下结构变形拟静力关系研究。基于平面弹性复变函数理论分别对圆形地下结构和矩形地下结构进行拟静力解析求解,明确了地下结构拟静力解析求解的基本方法。同时,对Wang、Penzien、Bobet、Park和Huo的方法进行了系统分析,并探讨了接触条件和泊松比对地下结构变形系数的影响。(2)自由场与土-地下结构散射场关系研究。采用数值模拟的方法,研究了在P波和S波作用下,含地下结构散射场及相应的自由场的动力反应,对比分析了地下结构顶板与底板相对位移及自由场相应位置处相对位移最大时刻对应的加速度、应力等动力特征及整个时程的最大值的特征规律。通过这些动力特征分析,找出自由场与土-地下结构散射场二者的动力特性之间的联系,并以此探讨了地下结构简化抗震设计方法的可行性及研究方法。(3)反应位移法理论推导及改进。基于子结构法对反应位移法的原理进行了理论推导,提出了地基弹簧系数的多种求解方法并对地震荷载(剪应力、土层位移差等效荷载以及惯性力)的求解方法进行改进,通过算例对改进的反应位移法与规范中的反应位移法和整体动力时程分析方法进行对比分析,验证了改进反应位移法的实用性。(4)静力有限元法理论推导及改进。基于子结构方法对静力有限元方法进行了理论推导,对现有的静力有限元方法(强制边界位移法、反应加速度法、反应应力法)进行了对比研究,提出了静力有限元计算模型,并验证了该方法的实用性。(5)地下结构弹塑性简化分析方法。采用地基刚度衰减的方法,对规范中反应位移法、改进反应位移法以及静力有限元法在土体弹塑性条件下的计算结果与动力时程方法进行对比,验证了这3种方法在土体弹塑性条件下的计算精度。同时,采用数值模拟的方法,模拟了地下结构拟静力条件下的弹塑性反应。     

山体遮挡对滇池风生流的影响初探

用二维风生流数值模型模拟滇池湖流运动。滇池在主导风向西南风作用下,假定湖面风场是均匀的,数值模拟的湖流流态与实测湖流结果相差很大。而考虑山体遮挡影响,根据实测湖流期间现有的风情资料,在湖面上构造一非均匀风场,数值模拟结果与实测值基本一致。山体遮挡对滇池风生流的影响是不容忽视的。建议进一步进行湖流和湖面风向、风速监测,并建立过山气流数学模型,深入研究山体遮挡对湖泊风生流的影响。     

基于时空守恒元和解元(CE/SE)方法的孔隙介质多相流动计算

将时空守恒元/解元(CE/SE)方法推广到二维孔隙介质多相流问题的数值计算中,采用人工压缩法耦合速度和压力,同时结合杂交粒子水平集方法捕捉物质界面.提出一套完整的二维欧拉型孔隙介质非稳态多相不可压缩黏性流动计算方案.通过对溃坝和液滴在重力作用下的运动和变形问题的数值模拟,验证了方法的精度和有效性.在此基础上,提出了一个新的孔隙介质两相流物理模型——双层流体顶盖驱动方腔流.     

龙马溪组页岩数字岩心LSM-RVM数值建模方法研究及TOC含量影响分析

页岩气储层中含有大量有机碳(TOC),其丰度与成熟度对页岩力学特性有重要影响.建立包含TOC的精细数值模型,将有助于探索页岩微结构与矿物组分含量对等效弹性模量的作用程度,是“甜点区”预测的重要理论基础.本文提出了一种离散数值建模方法,基于高精度成像技术,采用晶格弹簧-随机孔隙耦合模型(LSM-RVM)模拟包含多种矿物组分及不同成熟度干酪根的数字岩心,分析TOC成熟度及含量对弹性参数的影响.在该模型中,参数设置(数值阻尼与加载应变速率)至关重要,选取不当会对计算精度造成一定影响.研究结果表明,LSM-RVM能够生成符合TOC及多种矿物实际分布特征的数值模型,是一种精细数值建模方法.     

全球非静力半隐式半拉格朗日模式及其极区离散处理

全球有限区同化预报系统GRAPES(Global Regional Assimilation and Prediction System)中的全球模式是新研发的新一代全球非静力数值预报模式, 该模式将作为中国气象局下一代全球中期数值预报的业务模式. 模式动力框架的特点包括采用全可压方程组、非静力/静力可选、半隐式半拉格朗日大时间步长、利用预条件求解复杂的三维亥姆赫兹(Helmholtz)椭圆型方程等. 针对极地奇异性的特点, 介绍了GRAPES全球模式在极地的离散处理方案, 包括采用水平风分量v放在极地的Arakawa C网格, 引入极地滤波解决极地数值计算的稳定性, 近极地Helmholtz方程的订正, 及为提高球坐标系下拉格朗日上游点计算精度的处理等. 平衡流理想场试验表明, 模式对极地半拉格朗日上游点及极地的处理是正确的; Held 和 Suarez试验表明模式可保证长期时间积分的守恒特性.     

海原大地震诱发石碑塬黄土滑坡机制探讨

1920年海原8.5级大地震诱发的石碑黄土塬滑坡,因其规模大、坡度小、滑距远的特点成为业界关注焦点,目前对该滑坡的物理力学过程仍无统一认识。基于此,文章通过理论分析和数值计算方法研究该滑坡初始状态、地震动力响应和流滑发展过程。为分析震前斜坡初始状态,建立考虑斜坡表面拉裂缝中侧向水压力作用的力学计算模型。结果表明,拉裂缝中侧向水压力削弱了斜坡整体稳定状态;为研究地震时斜坡动力响应过程,建立数值计算模型,获得地震时斜坡饱和土层的孔隙水压力比和斜坡位移的变化特性;为解释远程滑坡,将液化后土层等效为流体,借鉴泥流滑距估算理论,求算石碑塬滑坡的滑距,计算结果与前人现场考察结果吻合。     

大气-水耦合模式下三维太湖湖流场研究

利用太湖区域的大气边界层三维数值模式和三维水动力学数值模式,采用气-水耦合方法,对太湖的风生流特征进行了深入研究。结果表明,太湖区域大气边界层风场具有明显的时空变化特征,与均匀定常风作用下的太湖流场相比,大气-水耦合模式下太湖流场变化较大,形成稳定湖流场所需的时间也较长。三维模式计算出的流速值明显比二维模式大(表层约大一倍,整层平均约大50％),且与实际观测值符合较好。故即使对于像太湖这样的浅水湖泊,三维水动力学模式的应用仍然是很必要的。模拟结果中还发现湖流的上下流矢有时出现非常大的切变,甚至达到了180°。由于浅水湖中仍存在两个边界层(水-气和水-土),故浅水湖中存在流矢的巨大切变是可能的。     

风垂直切变对大气静力适应过程的影响——第一部分:波动响应

本文基于描述可压缩大气静力适应过程的线性模型,分别采用正交模法和WKBJ法,从波动响应的角度研究了风垂直切变对大气静力适应过程的影响.结合实际天气现象构造了四种风垂直切变模型,分别为垂直无切变的定常模型、类似锋面特征的线性切变模型、表征东风急流的反气旋式切变模型和类似西风急流的气旋式切变模型.分析了相应模型下静力适应过程中的波动特征及波能量演变规律.得到结论:(1)在定常模型中,破坏静力平衡的能量激发出四支两两成对的、传播性质类似声波和重力波的波动,波动能量在闭合系统假设下为守恒量;(2)风切变的存在改变了波动及其能量的传播特征,也改变了波动能量的守恒性;(3)在大气稳定层结下,若波动多普勒频率大于0且小于0.7倍的浮力振荡频率,则发展(衰亡)型波动的螺旋结构分别为:(a)在线性切变模型中,等相位线自下而上需向西(东)倾斜;(b)在反气旋式切变模型中,等相位线在急流轴上层自下而上需向西(东)倾斜,在急流轴下层自下而上需向东(西)倾斜;(c)在气旋式切变模型中,等相位线在急流轴上层自下而上需向东(西)倾斜,在急流轴下层自下而上需向西(东)倾斜;若波动多普勒频率大于0.7倍的浮力振荡频率,则情形相反.     

基于含气泡液体声波方程的海底冷泉数值模拟

海底冷泉羽状流与海底天然气水合物的分布密切相关,对水合物稳定带的边界具有指示作用,是未来能源勘探的重要领域.研究海底冷泉羽状流的地震响应特征,对确定天然气水合物的储集区域及成藏环境等均有重要意义.当前获得海底冷泉羽状流的地震响应主要通过数值模拟进行,然而该过程所依据的含气泡介质声速模型及随机介质理论不能完整描述海底冷泉的物理性质,采用的声波方程也不适用于高频地震波数值模拟.为了准确地实现海底冷泉羽状流地震波数值模拟,精确分析其地震响应特征,本文提出利用Keller-Miksis气泡振动模型来描述气泡在声波作用下的运动状态,同时考虑气泡间的相互作用,建立海底冷泉气泡模型.在此基础上,本文创新性地采用含气泡液体声波方程进行海底冷泉高频地震波数值模拟.数值模拟结果表明,本文提出的方法能够实现海底冷泉羽状流地震响应的高精度数值模拟.     

近40年来太湖汛情的变化与防洪对策

本文建立了一个大气,水耦合数值模型来研究琵琶湖的环流机制,模拟计算结果表明：１）在湖面上存在一个正的风涡度场以及白天的正散度场,晚上的负散度场,在温度分层的季节里,这一特殊的琵琶湖流流域大气边界层可以产生并维持北湖一稳定,强度较弱的气旋式环流。２）当考虑大气边界层的不均匀风场的影响时,湖中形成的环流比均匀风场驱动形成的环流比均匀风场驱动形成的环流更加稳定且维持时间更长．３）局地风场可以在湖中驱动形     

基于含气泡液体声波方程的海底冷泉数值模拟

海底冷泉羽状流与海底天然气水合物的分布密切相关,对水合物稳定带的边界具有指示作用,是未来能源勘探的重要领域.研究海底冷泉羽状流的地震响应特征,对确定天然气水合物的储集区域及成藏环境等均有重要意义.当前获得海底冷泉羽状流的地震响应主要通过数值模拟进行,然而该过程所依据的含气泡介质声速模型及随机介质理论不能完整描述海底冷泉的物理性质,采用的声波方程也不适用于高频地震波数值模拟.为了准确地实现海底冷泉羽状流地震波数值模拟,精确分析其地震响应特征,本文提出利用Keller-Miksis气泡振动模型来描述气泡在声波作用下的运动状态,同时考虑气泡间的相互作用,建立海底冷泉气泡模型.在此基础上,本文创新性地采用含气泡液体声波方程进行海底冷泉高频地震波数值模拟.数值模拟结果表明,本文提出的方法能够实现海底冷泉羽状流地震响应的高精度数值模拟.