一、A FINITE ELEMENT SOLVER FOR NAVIER-STOKES EQUATIONS VIA VORTICITY AND VELOCITY（论文文献综述）
丛成华,邓小刚,毛枚良[1]（2021）在《绕椭球的低速流动研究》文中研究表明理解和预测绕椭球的流动对指导飞行器和潜艇等交通工具的设计具有很强的工程意义.近年来,针对椭球绕流开展了大量的实验和数值模拟研究.对有攻角下椭球绕流分离的定性描述和定量研究,促进了对三维分离的辨识和拓扑研究.文章对流场特性进行了分析,介绍了分离对气动力、噪声、尾迹的影响,以及实验条件对流动的影响.上述定常流动与非定常机动过程之间存在明显差异,非定常机动过程不能作为定常或准定常问题处理,在机动过程中,分离出现明显延迟,气动力出现明显变化.随后介绍了数值模拟在求解绕椭球流动中的进展,当前求解雷诺平均的N-S方程湍流模式仍然是解决绕椭球大范围分离流动的主要工程方法,大涡模拟和分离涡模拟等也逐渐得到了广泛应用.受限于计算能力,直接数据模拟只能用于较低雷诺数,在高雷诺数流动中还不适用.非定常机动过程的数值模拟较定常状态,与实验结果的差距要大一些.最后,介绍了对椭球绕流场转捩的研究进展,对T-S转捩与横流转捩的机理和辨识已经较为准确,数值模拟结果与实验结果基本相符,但对再附转捩的认识还不够清晰,尤其是迎风面,因此椭球绕流转捩的研究还需要依靠实验.
童晓剑[2]（2021）在《基于Fluent的低雷诺数下圆柱绕流流动特性数值模拟研究》文中研究指明圆柱绕流是一种基本而又复杂的流体力学问题。近年来,随着空气动力学、航空航天技术和海洋工程的发展,圆柱绕流成为学术界的热点课题。目前关于圆柱绕流流动特性的研究大多数是针对单圆柱绕流,对于多圆柱绕流的研究成果较少。因此,本文从实际问题出发,通过数值模拟的方法,利用流体力学数值模拟软件Fluent来主要研究多个柱体在不同排列方式、不同间距比和不同直径比下的圆柱绕流流动特性,重点对其尾流形态以及各个柱体的表面受力情况进行分析。首先,本文对圆柱绕流的研究背景和现状、CFD模拟方法、Fluent软件结构和特点进行了介绍。然后利用Fluent进行单圆柱绕流数值模拟的算例验证,验证本文采用的网格划分方法和参数设置具有准确性和科学性。接下来在雷诺数Re=100情况下,对不同形状的单一柱体（圆形、椭圆形、正方形、菱形）绕流进行了数值模拟研究,导出流场的速度变化、压力等值线、涡量分布和升阻力系数等,通过这些结果和数据,分析形状变化对柱体绕流流动特性的影响,发现不同形状柱体绕流的流动特性各有不同,椭圆形柱体在流场中所受阻力和升力相对于所选其他形状最小,在需要克服空气动力影响的工程应用场景中,如高压输电塔和桥梁等,椭圆形构件能够减少气动受力,从而提高安全性能。其次针对等直径并列多圆柱绕流,本文主要模拟了在雷诺数Re=100时,等直径并列双圆柱不同间距比（L/D=0.5、1.0、1.5、2.0）和等直径并列三圆柱不同间距比（L/D=1.5、2.0、2.5、3.0）绕流情况,发现并列双圆柱绕流存在临界间距L/D=2.0,并列三圆柱绕流临界间距约为L/D=2.5。当间距小于临界间距时,难以形成规律分布的涡街;当间距大于临界间距时,圆柱之间相互作用减弱,形成规律的对称排列的涡街;其中并列双圆柱绕流中两圆柱受阻力始终相同,升力大小相同方向相反;并列三圆柱绕流中上下方圆柱受力情况与双圆柱类似,中间圆柱所受阻力始终大于上下方圆柱,升力始终小于上下方圆柱,且均随间距变化而发生改变。最后通过模拟研究雷诺数Re=200时,不同间距比（L/D=1.5、2.0、2.5、3.0）和不同直径比（d/D=0.2、0.4、0.6、0.8）下三角形排列三圆柱绕流的问题,研究了间距和直径的变化对三角形排列三圆柱尾流流态和各柱体表面受力情况的影响。发现随着间距的扩大,三角形排列圆柱的流场随之改变,也存在临界间距约为L/D=2.0～2.5;各个圆柱受力情况也随间距和直径的变化而改变,在等直径并列三圆柱绕流中,各个圆柱所受阻力随间距的增大而增大,其中中间圆柱所受阻力与升力始终小于其他两个圆柱。在不等直径三角形排列三圆柱绕流中,圆柱所受阻力和升力均随着d/D的增大而增大。
弓宏宇[3]（2021）在《赛车尾翼主被动流动控制研究》文中研究表明随着国内汽车运动的日益流行,以及大学生方程式的发展,赛车空气动力学越来越得到重视。国内的汽车品牌也开始推出运动型的性能车,企业对于空气动力学的研发不再停留在减阻上,而是通过优化空气动力学性能来提高汽车的操纵稳定性。世界一级方程式锦标赛代表了赛车以及汽车技术的尖端科技,其中空气动力学的研发是至关重要的一部分。赛车空气动力学主要通过产生足够的下压力,从而增加轮胎的附着力进而提高赛车弯道中的速度和直道末端制动的稳定性,同时在保证下压力的条件下,尽可能降低阻力,以提高赛车直道的尾速。对于当代F1赛车其尾翼产生的气动下压力占整车下压力的35%左右,同时通过控制尾翼的下压力可以调节整车的下压力分配,优化赛车在各个工况下的综合性能,所以尾翼的设计是赛车空气动力学优化中非常重要的一部分。本文以F1赛车尾翼为研究对象,应用主被动流动控制方法对尾翼的下压力或者升阻比性能进行优化。从最初设计阶段的二维翼型到最后车身与尾翼流动的相互影响,较为全面和系统地研究了尾翼的流动特性,并且利用不同的流动控制方法对尾翼性能进行了优化,总结了各控制方法的特点及规律。首先对二维尾翼进行了二维流动控制。在对仿真准确性进行验证后,应用等离子体主动流动控制的方法改善了尾翼的升阻特性,通过伴随流求解器进行灵敏度分析后,确定了等离子体发生器的位置,等离子体通过动量输入可以使尾翼在有效增加下压力的同时减小尾翼的阻力,使得下压力提高3%左右,升阻比提高9%左右。除此之外,应用格尼襟翼对二维尾翼进行了被动流动控制。通过安装格尼襟翼可以明显地增加尾翼的下压力,同时也伴随着阻力的增加,随着格尼襟翼高度的增加,阻力系数和下压力系数以二次上凸抛物线趋势增加。进一步对于小展弦比的三维尾翼,通过测力实验及PIV和烟流流动显示实验验证了三维小展弦比尾翼的仿真策略。通过仿真研究了不同端板对三维尾翼的影响,结果表明端板可以明显改善升阻性能,使得下压力提高15%以上,升阻比提高30%以上,并结合实验对纵向涡结构的流动机理进行了分析。通过翼面变形减小翼端处的下压力可以减弱纵向涡结构的强度,从而提高尾翼的升阻比。此外,应用涡流发生器进一步改善了三维尾翼的性能,涡流发生器可以有效增加尾翼的下压力,使下压力系数提高7%左右。通过锯齿缺口减小尾缘面积,可以在牺牲少量下压力的情况下,提高尾翼的升阻比。最后对不同位置的尾翼与车身气动特性的相互影响进行了研究。当尾翼安装在位置一,即与真实F1赛车尾翼的位置相似时,尾翼的下压力系数相对于单独尾翼有明显地提升,增加了3%,阻力也明显减小,升阻比增加了17%,同时尾翼也使得扩散器及底板的下压力和车身后部的升力增加。根据位置一尾翼的流动特性,通过将尾翼中间位置抬高形成具有三维形状的尾翼,可以使得车身中间下洗气流对尾翼的影响减小,进而改善尾翼中间位置截面的压力分布,使得尾翼下压力增加约3%。当尾翼安装在位置三,即相对靠后远离车身时,虽然尾翼的下压力相对于单独尾翼及位置一、二减少较多,同时升阻比也较差,但是整车的下压力及升阻比都相对最优。
王文江[4]（2021）在《变刚度柔性体自主推进特性的流固耦合数值研究》文中研究表明生物的自主推进运动是一个典型的流固耦合问题,蕴含了复杂的流体力学机制。本文采用柔性自主推进简化力学模型和流固耦合算法,数值研究了柔性体的周围流场环境、自身构型及材料力学性质等因素对其推进特性的影响,揭示了生物运动的力学原理。本文的主要工作及研究成果如下:（1）研究了均匀流场中上游串列双圆柱尾迹与下游柔性板相互作用的动力学问题。通过调整圆柱间距,构造出多种典型流场尾迹脱涡模态,模拟复杂的水动力学环境,进而探讨复杂旋涡尾流中柔性板自主推进特性。基于数值模拟分析,发现柔性板在多种典型脱涡模态下会出现稳定游动、逆流而上和顺流而下三种运动模式。研究表明柔性板的运动模式主要取决于板的初始位置和拍动振幅,在中等振幅和适当初始位置下更容易出现稳定游动模式。结果表明,相比于直接处于来流中的情形,稳定游动的柔性拍动体在尾迹涡中耗费更少的能量,且稳定游动所需最小振幅对应的能耗与圆柱脱涡强度成反比。通过对不同起拍方式下板稳定游动位置与周围旋涡时空演化分析,揭示了柔性板初始拍动与圆柱脱涡相位之间的函数关系,准确地预测了不同脱涡模态下拍动板的平衡位置间距。（2）研究了三维弦向非均匀刚度分布拍动板自主推进运动的动力学问题。针对一系列典型的刚度分布,基于欧拉梁模型推导给出了有效弯曲刚度,合理地描述非均匀板的整体弯曲刚度,验证了拍动板前缘与后缘的横向振幅差与板的理论末端挠度值呈正比的假设。发现了拍动矩形板的推进特性主要由有效弯曲刚度决定,且在同一有效弯曲刚度附近,不同刚度分布拍动板均取得各自最优推进特性。揭示了刚度分布与拍动板弦向变形之间的关系,探讨了板的压力分布与近场旋涡结构和强度之间的联系。发现了沿弦向刚度增长型分布的拍动板拥有更好的推进性能。板前端越柔,前端被动变形越大,进而产生更大的推力。此外,还详细讨论了质量比和展弦比对板的变形和推进特性的影响。这些结果有助于深化理解水动力学与仿生设计中变柔性鳍或翅膀推进性能之间的内在联系。（3）研究了特定形状设计和柔性分布组合对拍动板自主推进性能的影响规律。理论分析得出任意刚度分布和平面形状参数的柔性板有效弯曲刚度,合理地刻画了不同形状的非均匀板整体抗弯刚度特性。发现了拍动板的推进速度和效率主要取决于有效弯曲刚度,即拍动板展向中截面上后缘相对于前缘的最大横向位移差。同时,增大面积矩和前端柔性可显着增大板的弯曲能,并影响拍动推进的动力学特征,提高板的推进性能。分析了特定参数下板近场和上下表面的压力分布以及典型尾迹涡的形态演化,揭示了刚度分布和形状参数如何改变板上各部分的变形和前缘、侧缘及尾缘涡的相对强弱,进而得出与拍动板局部弦向变形、法向力之间的关系。这些结果对柔性体推进系统的优化设计具有指导意义。
郭煜晨[5]（2020）在《适用于磁共振显微成像系统的集成式微流控芯片设计方法研究》文中研究表明随着生物医学领域对单细胞的研究由表面形态逐渐深入内部组分含量、结构特征等方面,磁共振成像作为一种可以无创伤地反映物体内部的层次结构并可以区分不同物质的影像技术具有巨大的应用潜力。磁共振显微成像技术是指空间分辨率小于百微米的磁共振成像手段,是近年来磁共振成像发展的趋势之一。根据磁共振成像原理,空间分辨率受限于梯度线圈产生的梯度磁场的大小与线性度,在保证主磁场强度和线圈驱动电流的前提下,采用直径与细胞尺寸相近的梯度线圈可提高磁共振显微成像的空间分辨率。而作为磁共振显微成像技术的载体,广泛应用于生物物理、生物化学和医学领域进行细胞培养、检测的微流控芯片是一个很好的选择。由于磁共振成像要求芯片处于主磁场环境下,因此所有器件应避免有任何铁磁材料出现。这也意味着例如混合器、阀等微流器件采用无驱动力的被动式微流控芯片更适用于磁共振显微成像。拓扑优化方法相较于其他传统结构设计优化方法可以在设计者缺乏经验的情况下快速找到结构可行的拓扑形式,并对结构的尺寸和形状进行一定程度的优化,有助于设计者提出具有创新性的结构设计。因此,本文研究内容聚焦在可应用于磁共振显微成像的集成式微流控芯片拓扑优化设计研究。由于磁共振成像主磁场分布的限制,细胞溶液将使用被动式混合器与营养液或药物进行稀释混合。针对具有扩散性质流体的混合器设计,流体拓扑优化方法已经非常成熟,包括传统的被动混合器和应用外部能量的主动混合器。然而针对细胞溶液这种微尺度下不具有扩散性质的混合问题,流体拓扑优化方法发展缓慢,一方面是微尺度下细胞在溶液中不可无限分割使得传统浓度定义和目标函数不适合描述混合器的混合效果;另一方面对于描述混合过程的对流扩散方程,标准有限元方法较难稳定求解纯对流问题。针对上述问题本文应用粗粒浓度的概念提出新的拓扑优化目标函数并应用逆向粒子追踪方法和映射矩阵方法描述混合过程,实现了细胞溶液混合的拓扑优化设计。混合后的细胞样品溶液需经过多种微流控器件运输到成像区域,在理想状态下,各种微流控器件的流体拓扑优化结果可以通过特定微纳加工工艺进行加工制造。但在实际中两个问题制约了流体优化结果的应用:一个问题是由于部分微流器件功能的需要,优化结果中会生成细小的流道和固体孤岛,这会显着增加制造难度和制造成本;另一个问题是受计算资源的限制,微流控器件的拓扑优化通常采用二维模型进行优化设计,优化结果拉伸为三维模型进行制造。由于流体二维假设中流道具有无限高度与三维实际不符,使得一些功能性的微流器件实际效果不佳。本文应用基于模拟开、关形态学算子的结构尺寸控制方法对优化结果中流道以及固体孤岛的最小尺寸进行限制,从而确保优化结果满足制造要求。受电学比拟法的启发,应用模拟侵蚀形态学算子对流道的最大尺寸进行限制,从而减小二维模型与三维模型流场状态的差异。本文以微Tesla阀和流体等流量分配网络的设计问题为例证明上述方法的可行性和有效性。细胞进入成像区域后,由于磁共振成像原理的限制,细胞需要被固定一段时间,这一区域由细胞捕获阵列与对应的微梯度线圈组成。传统的细胞捕获单元设计方法更关注于单元中旁路流道与细胞捕获流道的流量比而忽略单元整体的能量损耗,同时设计结果强烈依赖设计者的经验。本文应用流体拓扑优化方法提出在满足流道流量比的基础上考虑整体能量损耗极小的细胞捕获单元设计方法,并建立三维模型就细胞捕获前后的流场状态进行验证。同时针对流函数方法设计的微梯度线圈匝数过多、近似误差较大且不易制造的问题,采用电阻辅助目标的梯度线圈拓扑优化方法得到线型结构简单的微梯度线圈。数值算例分析了优化模型中各个参数对细胞捕获单元及微梯度线圈构型的影响。
宋奇[6]（2020）在《基于马格纳斯效应的轮轨式风力机的结构设计和三维模拟》文中提出随着人们对生存环境的日益重视,可再生新能源利用越来越受到关注,风力发电作为重要的可再生能源技术快速发展,近十几年来,各种风力发电机如雨后春笋般地在陆地和近海海面竖立起来。风力机从结构形式分类,可以分为水平轴和垂直轴两种,水平轴风电机组是目前最常见的风力发电型式,其特点是风力利用率较高,但技术已经相对成熟的同时也出现了超大型风力机安装、维护、运营成本居高不下等技术瓶颈,使得风电成本难以大幅下降,这给该类风力机的继续发展留下了难题。另一种垂直轴风力机型式在发展之初就由于缺乏有效的设计计算方法等原因,使得该类风力机的发展受阻。随着流体力学在设计计算技术方面的长足进步,以及水平轴风力机发展中遇到的诸多现实问题,垂直轴风力机的独特技术特性又引起了研究者极大兴趣。课题组提出了一种基于马格纳斯效应的垂直轴风力机的风力发电型式,与传统水平轴风力机相比,该类风力机从制造、运维成本等方面都呈现出独特的技术特点,前期研究已经对该类风力机技术特征与水平轴风力机做了系统比较,发表了相关理论分析成果,本文则进一步围绕其机械结构设计、控制系统、运动特性、数值模拟等方面展开研究。首先根据马格纳斯风力机的运行特点,设计了一种轮轨式机械结构的垂直轴风力机结构模型,将马格纳斯风力机和模型小车相结合,外力带动风力机叶片在风场中自转,由此产生了比施加的外力大的多的马格纳斯力带动模型小车在环形轨道上公转,将风能转化为模型小车的动能。显然,本风力发电型式能否最终转化成实用技术,可获得的风能利用效率、设计计算方法等各种技术指标至关重要,需要做进一步的理论探索。由此,本文在前期研究的基础上,进一步结合模型小车的运动特性,设计了闭环控制系统,根据模型小车的位置调节转速并在换向点控制叶片转向,探索计算出该类风力机的风能利用率;然后根据空气动力学知识,采用非惯性坐标系下的流函数-涡量形式,基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程,结合湍流模型和二阶迎风算法,分析了马格纳斯风力机动态失速下的运动特性,并利用膨胀模型对风力机下风处风轮的功率进行修正;最后利用流体仿真软件Fluent,基于马格纳斯风力机数学模型,从三维角度对马格纳斯风力机单叶片进行了静止和旋转两种状态的数值模拟,得出三个方向的流场和压力分布状况;同时对马格纳斯风力机组进行了三维数值模拟仿真数值计算,得出了叶片在特殊位置时的升阻力和叶片中心转矩。以上研究结论为进一步的模型机结构设计及实验研究提供了必要的理论基础。
黄虹溥[7]（2020）在《消声器声学特性计算的流声耦合方法研究》文中研究说明为了提升工程机械产品的舒适性,需要设计与进排气噪声频谱相匹配、性能优良的消声器对进排气噪声进行控制。消声器产品研发一般分为概念阶段、设计阶段、制造阶段、测试阶段以及量产阶段。为了提高研发效率、降低制造测试成本,数值方法已广泛应用于研发过程中。在概念阶段中消声器产品外观、内部结构的选型将受安装空间和产品成本的限制,因此需要数值方法能够高效地对不同设计方案进行筛选。相较于其它数值方法,有限元方法具有能够考虑三维复杂结构、不受平面波截至频率限制以及计算效率高等优点。尽管如此,商业软件采用的传统有限元计算方法无法考虑消声器内部的气体流动影响,预测结果与实验结果之间的偏差仍然会导致开发周期和成本的增加。考虑到消声器产品研发需求,本文将在传统有限元计算方法的研究基础上发展一类能够考虑流声耦合效应的消声器声学特性计算方法。考虑到有流和无流两种条件下的消声器声学特性存在着联系,提出使用基于Helmholtz方程的有限元方法为概念阶段中的消声器产品进行选型。通过对双级膨胀腔和三通穿孔管消声器的声学特性进行计算,发现可调整消声器进出口管位置和内部结构来满足进排气噪声控制的不同需求。同时,无流条件下的计算结果将为消声器声学特性对气体流动的敏感性分析提供基础数据。在产品设计阶段中,消声器声学特性的计算需考虑非均匀流的影响。若消声器内部的马赫数低于0.3时,流场与声场的耦合作用可认为是单向的。通过忽略声场对于流场的影响,基于运流声场控制方程建立了消声器声学特性的流声单向耦合计算方法。该方法采用了两步计算:第一步是使用计算流体动力学方法在流场网格上获取消声器内部气体流速的稳态分布;第二步是使用线性插值方法来确保流场信息有效地传递到声学网格中实现声学计算。通过对不同类型的穿孔管消声器声学特性进行计算,发现气体流动对共振频率的影响很显着。为了降低声学特性对气体流动的敏感性,引入了锥形管来降低掠过流条件下小孔处的气流速度。通过对三通穿孔管消声器声学特性进行详细研究,明确了掠通混合流形式下的穿孔区域边界类型选取的原则。为了进一步考虑流场与声场间的双向耦合作用,通过对可压缩Navier-Stokes方程进行线性化处理,建立了线性Navier-Stokes方程的频域有限元计算方法。相较于Helmholtz方程和运流声场控制方程,线性Navier-Stokes方程中的扩散项、对流项和反应项能够提供更加精确的声学模型。侧支结构和截面突扩结构的计算结果表明流声双向耦合作用下的声能量转化和涡声耗散会改变声学特性和影响消声器入射声压和透射声压的提取精度。考虑到线性Navier-Stokes方程求解变量增加带来的计算效率问题,给出了三类方法来降低有限元计算自由度。在此基础上,详细分析了有流条件下的Helmholtz共振器、双级膨胀腔消声器以及穿孔管消声器声学特性,给出了降低消声器声学特性对气体流动敏感性的解决方案。针对消声器产品测试阶段中出现的特定流速条件下透射声压大于入射声压的现象,提出了流声耦合作用下的线性判稳方法来预测流致噪声。该方法不考虑消声器壁面的振动,认为放大的声能量来自于不稳定的涡流结构（水力模式）与侧支结构的声学模态间的流声耦合振荡。通过假定声学系统的振荡问题是从线性状态逐步发展到非线性状态的,采用了基于控制理论的广义奈奎斯特稳定判据和声能稳定判据来判断系统是否稳定,给出了系统失稳程度的评价指标。与Helmholtz共振器和直通穿孔管消声器的台架实验结果进行比较,发现该方法能够有效地预测流致噪声发生的频率以及对应频率的声压大小排序。在此基础上,详细研究了声学系统的散射矩阵和反射矩阵的调整对于声学系统不稳定性的影响。
杨明[8]（2019）在《固体间碰撞与流体耦合的数值分析方法研究》文中研究表明许多工程结构受环境流体的影响,会产生较大的非定常力,使结构的安全性存在很大隐患,特别是流体中固体间的碰撞,会对结构产生更复杂的破坏作用,直接威胁到结构的安全运行。流体中固体间的碰撞涉及到流体动力学和固体力学中的碰撞非线性等问题,使流固耦合力学分析中的求解规模和效率矛盾更加突出,难于工程应用。因此,固体间碰撞与流体耦合的数值分析方法研究,不仅具有较高的学术价值,也具有明显的工程应用前景。本文旨在建立一种行之有效,能够描述固体间碰撞与流体耦合的数值分析方法,为此类工程结构安全运行评价和优化设计提供理论支撑和技术手段。基于有限体积方法,引入壁面函数法、SST-DES湍流模型,建立了一种适用湍流动力学数值分析的改进清晰界面浸入边界方法,降低了高雷诺数湍流附面层对网格分辨率的要求,提高了湍流流动数值模拟的计算效率,可根据近壁节点所处的流动状态,自动调整湍流变量,具有较高的鲁棒性。通过对静止和动边界的湍流流动算例数值模拟,其结果与实验数据和边界配合法的数值分析结果吻合较好,表明改进的清晰界面浸入边界方法,对湍流流动的数值模拟结果是准确可靠的。在流固耦合数值模拟中,采用改进的浸入边界法模拟流体中的动边界,避免了流体域网格反复重构时计算量大的问题;采用有限元方法对结构动力学求解,依据流固耦合界面几何协调以及载荷平衡条件,推导了耦合界面位移、速度及载荷信息传递表达式,给出了耦合界面物理量收敛准则、时间推进算法及计算流程,建立了分域求解充分耦合的数值方法。通过对低雷诺数下单圆柱涡激振动算例的数值模拟,其结果与边界配合法以及同样采用浸入边界方法得到的圆柱最大横向位移随折合流速的变化趋势基本吻合,验证了所建流固耦合分域求解数值算法的正确性;通过对单个球形颗粒的自由沉降运动数值模拟,极限沉降速度和雷诺数与实验数据最大相对误差为2.68%,验证了所建数值算法同样适用于高雷诺数下的流固耦合分析。在流体域中,当一个固体与另一个固体（壁面）碰撞时,由于存在多个浸入边界,使得浸入边界间缺乏流体网格分辨率,传递边界参数的插值方程无法建立。为此,本文通过数据回归方法建立了两圆柱在无背景流速和有背景流速时,适用于高雷诺数的润滑模型,使流体作用到固体边界上的力得以修正;采用罚函数的有限元方法对结构碰撞求解,建立了固体间碰撞与流体耦合的数值分析方法。通过对球形颗粒与壁面正碰撞、斜碰撞算例的数值模拟,其结果与实验数据趋势相吻合,表明所建方法完全适用于流体中动静固体间碰撞的数值模拟;通过对两圆柱形颗粒碰撞算例数值模拟,得到了DKT现象,表明所建方法也适用于流体中运动固体间碰撞的数值模拟。通过建立的固体间碰撞与流体耦合的数值分析方法,研究了涡激诱导并列双圆柱碰撞,得到了两圆柱流体力、速度以及流场的变化规律及其机理;模拟了坠物自由沉降和撞击海底管道过程,得到了海流速度对坠物速度、角度以及管道凹陷的影响规律;分析了小间隙比下串列和并列排列立管流致振动规律,得到了碰撞速度、碰撞力和碰撞应力变化规律,可用于此类工程结构的安全评价和优化设计。本文建立的方法也可应用于石油工程中含砂压裂液对管道的冲蚀、流体机械中固体颗粒对水轮机叶片的冲击等工程问题,具有广阔的应用前景。
刘翔[9]（2019）在《基于过渡层改进的浸入式有限元法及其在静脉瓣病理行为研究中的应用》文中进行了进一步梳理静脉及瓣膜是人类心血管系统中重要的组成部分。理解静脉及瓣膜的正常生理行为和病理行为,能帮助医学工作者更好地研究静脉的发病机制,制定瓣膜移植、修复手术方案,优化人工瓣膜设计,以及预防静脉疾病的发生和恶化。然而,静脉及其瓣膜与血液的相互作用本质上是一个高度非线性的流-固耦合问题。在这个耦合过程中,静脉瓣膜是具有大变形能力的柔性体,血液是典型的非牛顿粘性流体。它们之间的耦合过程同时伴随有瓣膜闭合以及瓣膜接触静脉壁等行为。因此,静脉中的流-固耦合仿真具有相当的难度。浸入式有限元法已经成功应用于主动脉瓣膜的流-固耦合研究中,但受限于它的基本假设条件,该方法在流-固耦合研究的应用中仍存在一些不足。例如,固体的支撑域包含了部分真实流体,在纳维斯托克斯（Navier-Stokes,N-S）方程的求解和流-固耦合的计算过程中,虚拟流体的误差会通过相互插值“污染”真实流体的解。为解决这一问题,本文对经典浸入式有限元法进行了改进,提出了浸入式过渡层有限元法,并采用该方法建立了静脉及其瓣膜与血液的流-固耦合动力学数值模型。此外,通过建立有效的静脉数值模型,对静脉的病理行为进行了探索研究。本文的主要研究工作和成果如下:1.经典浸入式有限元程序的实现。基于经典浸入式有限元理论,本文推导了其有限元方程的离散格式。通过该理论的进一步研究,按照其有限元程序框架,本文编制了经典浸入式有限元程序。通过与已实现算例的结果对比,该程序的有效性得到验证。2.浸入式过渡层有限元的理论建立和程序实现。通过在浸入式有限元法中引入空域、过渡层、动量补偿项,并添加基于Newmark-β的固体求解器、黏附接触算法（Adhesive Contact Method,ACM）等相结合的方式,本文提出了浸入式过渡层有限元理论,并推导了其偏微分方程和相应的有限元离散格式。根据流体、固体求解和耦合策略的变化,我们设计了浸入式过渡层有限元程序的框架和结构,并编制了相应的有限元程序。通过与不同算例验证的结果对比,浸入式过渡层有限元程序的可行性和有效性得到证明。同时,通过对比现有改进的浸入式有限元法的计算结果,本文进一步说明了浸入式过渡层有限元法在计算精度和效率方面的优势。3.静脉及其瓣膜与血液的耦合动力学模型建立。本文根据静脉解剖样品的几何特性和材料特性以及血液的流体特性等创建了静脉的几何模型、固体超弹性体本构模型和牛顿黏性流体本构模型,综合考虑了静脉瓣膜和血管及静脉窦的膨胀、收缩等动力学行为特征,实现了静脉-血液耦合动力学模型的描述。4.静脉瓣膜循环（Valve Cycle）的动力学过程分析。在以上工作基础上,本文利用浸入式过渡层有限元法模拟了静脉瓣膜的运动、变形和血液流动过程,研究分析了正常生理条件下静脉壁、瓣膜的动力学特性和血液的流场特性。通过与已有实验结果和数值结果的对比,验证了本文静脉数值模型的有效性,加深了对静脉瓣膜闭合机制（Closure Mechanism）的理解以及静脉功能（防止静脉反流,运输血液）的认识。5.静脉病变对静脉瓣膜和血液动力学特性的影响分析。利用弹性模量异常描述静脉瓣膜和静脉壁的病变,本文研究了不同病变条件下异常的静脉血液流动特性、瓣膜动力学特性,分析了病变位置、病变程度等因素对静脉及瓣膜的动力学行为和血液流动的规律性影响。研究结果表明:瓣膜发生萎缩会引发明显的静脉闭合不全,瓣膜纤维化则会影响静脉的血液运输能力,静脉壁的病变相对瓣膜的病变影响较小,但其对壁面切应力的影响更明显。
朱帅[10]（2019）在《动力学问题的高精度算法及其在燃气轮机工程的探索》文中研究指明本文是燃气轮机工程和计算数学相结合的一篇论文,是一个跨专业跨学科的研究成果。燃气轮机和航空发动机有着极其广泛的应用,它们不仅是国防装备中的关键,而且在国民经济中的电力、能源开采和输送、分布式能源系统领域具有不可替代的战略地位和作用。动力学是燃气轮机和航空发动机的重要理论基础。燃气轮机中发动机的动态特性、压气机和涡轮通流部分的非定常场流动、高温部件冷却过程的非定常传热传质过程、燃烧室中与燃烧相关的化学物理过程……都涉及动力学的问题,这些重要过程的合理组织都必须在动力学指导下进行。动力学又是数学家高度重视而为之做出贡献的领域,为了用“科学计算”解决动力学问题,他们把长期在牛顿力学系统中展开的动力学问题转到Hamilton力学系统,构造合适的辛几何算法,从而提高“科学计算”的有效性和可靠性。本文根据燃气轮机动力学问题（工程热物理范畴）的需要,在Hamilton力学系统表达中,利用有限元方法离散框架,设计求解Hamilton系统的新型高精度算法。数值求解线性Hamilton系统的诸多辛算法虽然可以保证系统的结构特性,但仍存在较大的相位误差和能量误差。本文针对线性Hamilton系统提出“无相位误差加权间断时间有限元方法（WDG-PDF）”。WDGPDF方法利用间断时间有限元方法在节点不连续的特性,设计可以保证无相位误差的加权权重,并通过对传递矩阵的处理实现算法保辛。本文给出了WDG-PDF方法保辛和无相位误差证明。WDG-PDF方法在保辛和无相位误差的同时,数值上Hamilton函数误差达到计算机舍入误差量级。因此对于线性Hamilton系统,无相位误差加权间断时间有限元方法是最优的选择。本文针对非线性Hamilton系统,提出“自适应时间有限元方法（ATFEM）”。近年来自适应高效算法在求解动力学问题中得到广泛应用,但是现有的自适应算法求解Hamilton系统往往不能保证Hamilton系统的固有特性（能量守恒、辛结构等）。A-TFEM方法利用时间有限元方法的后验误差估计,设计自适应指标Θ,当自适应指标Θ大于预设的误差范围上界,则缩小计算步长;当自适应指标Θ小于预设误差范围下界,则增加计算步长。本文给出了A-TFEM方法的保能量以及保辛特性的证明,从理论上证明算法的保能量及高精度保辛性质。选取具有典型意义的非线性Hamilton系统,利用A-TFEM方法进行数值仿真,数值实验验证了理论分析结果。燃气轮机动态过程的计算长期在牛顿力学系统中进行,本课题组将该问题纳入Hamilton力学系统进行表述。研究表明上述“A-TFEM方法”非常适合于燃气轮机动态过程的数值计算,明显地提高计算效率。数值结果显示“A-TFEM方法”较以前求解该模型的“FSJS算法”在能量守恒以及计算精度上都有较大的改进。燃气轮机工程中的许多动力学问题必须用偏微分方程来描述,最典型的就是流动的控制方程——Navier-Stokes方程。数学家做了大量的研究工作,构建了诸多数值求解模型和算法。为了避免数值求解NavierStokes方程中遇到的鞍点问题,数学家提出了不同的解耦方法。Gauge方法是基于Navier-Stokes方程的Hamilton形式而发展的着名的解耦算法,然而Gauge方法在计算实践中还存在不少有待解决的问题。针对Gauge方法的诸多问题本文提出了“改进Gauge方法（MGM）”,MGM方法是Navier-Stokes方程数值求解格式上的创新。本文一方面给出了MGM方法稳定性分析和速度及压力的误差估计,即从理论上证明算法的有效性;另一方面,利用MGM方法计算了流体力学中的经典模型,数值实验验证了理论分析结论。MGM方法不仅适用于Navier-Stokes方程,而且可推广应用到更复杂的偏微分方程,例如Boussinesq方程。
二、A FINITE ELEMENT SOLVER FOR NAVIER-STOKES EQUATIONS VIA VORTICITY AND VELOCITY（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、A FINITE ELEMENT SOLVER FOR NAVIER-STOKES EQUATIONS VIA VORTICITY AND VELOCITY（论文提纲范文）
（1）绕椭球的低速流动研究（论文提纲范文）
| 1引言 |
| 2参数与坐标系定义 |
| 3实验和理论研究 |
| 3.1椭球绕流场分离的定性描述 |
| 3.2椭球绕流场分离的定量研究 |
| 3.3椭球绕流场分离的辨识 |
| 3.4椭球绕流场分离的拓扑研究 |
| 3.5分离对气动力的影响 |
| 3.6分离产生的噪声 |
| 3.7转捩带的影响 |
| 3.8分离后旋涡的演化过程 |
| 3.9非定常机动实验 |
| 3.10尾部支撑对流动的影响 |
| 3.11突起物对流动的影响 |
| 4数值模拟研究 |
| 4.1欧拉方程及渐近理论 |
| 4.2三维边界层方程 |
| 4.3简化的N-S方程及层流 |
| 4.4 RANS |
| 4.5 RSM |
| 4.6 LES |
| 4.7 LES/RANS混合方法 |
| 4.8 DNS |
| 4.9非定常机动过程的模拟 |
| 5椭球绕流场转捩的研究 |
| 6结论和展望 |
（2）基于Fluent的低雷诺数下圆柱绕流流动特性数值模拟研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 研究背景及意义 |
| 1.2 国内外圆柱绕流的研究动态 |
| 1.2.1 国内外单圆柱绕流研究现状 |
| 1.2.2 多圆柱绕流研究现状 |
| 1.3 本论文的主要研究工作 |
| 第2章 圆柱绕流的基本理论与数值模拟方法 |
| 2.1 圆柱绕流简介 |
| 2.2 圆柱绕流数学模型 |
| 2.2.1 圆柱绕流控制方程 |
| 2.2.2 圆柱绕流控制参数 |
| 2.3 数值模拟方法介绍 |
| 2.2.1 CFD分析方法 |
| 2.4 Flunet软件简介 |
| 2.4.1 Fluent软件概述 |
| 2.4.2 Fluent软件的程序结构 |
| 2.4.3 求解方法 |
| 2.4.4 求解步骤 |
| 2.5 本章小结 |
| 第3章 Fluent算例验证及不同形状单圆柱绕流流动特性研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 圆柱绕流的算例验证 |
| 3.2.1 计算模型和网格划分 |
| 3.2.2 特征参数和边界条件设置 |
| 3.2.3 数值模拟结果与分析 |
| 3.3 形状变化对单圆柱扰流流动特性的影响 |
| 3.3.1 计算模型和网格划分 |
| 3.3.2 特征参数和边界条件设置 |
| 3.3.3 数值模拟结果与分析 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 并列等直径多圆柱绕流的流动特性研究 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 间距变化对并列双圆柱绕流流动特性的影响 |
| 4.2.1 计算模型与网格划分 |
| 4.2.2 特征参数和边界条件设置 |
| 4.2.3 并列双圆柱模拟结果与分析 |
| 4.3 间距变化对并列三圆柱绕流流动特性的影响 |
| 4.3.1 计算模型与网格划分 |
| 4.3.2 特征参数和边界条件设置 |
| 4.3.3 并列三圆柱模拟结果与分析 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 三角形排列三圆柱绕流的流动特性研究 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 间距变化对等直径三角排列三圆柱绕流流动特性的影响 |
| 5.2.1 计算模型与网格划分 |
| 5.2.2 特征参数和边界条件设置 |
| 5.2.3 数值模拟结果与分析 |
| 5.3 直径变化对三角排列圆柱扰流流动特性的影响 |
| 5.3.1 计算模型与网格划分 |
| 5.3.2 特征参数和边界条件设置 |
| 5.3.3 数值模拟结果与分析 |
| 5.4 本章小结 |
| 第6章 总结与展望 |
| 6.1 结论 |
| 6.2 展望 |
| 参考文献 |
| 攻读学位期间取得的研究成果 |
| 致谢 |
（3）赛车尾翼主被动流动控制研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 研究背景及意义 |
| 1.2 国内外研究现状 |
| 1.2.1 国外研究历史与现状 |
| 1.2.2 国内研究历史与现状 |
| 1.3 本文主要研究内容 |
| 第2章 赛车尾翼CFD数值仿真理论 |
| 2.1 Navier-Stokes流体控制方程 |
| 2.2 雷诺时均湍流模型 |
| 2.3 Boussinesq假设 |
| 2.4 两方程模型 |
| 2.4.1 K-Epsilon湍流模型 |
| 2.4.2 K-Omega湍流模型 |
| 2.5 近壁面处理 |
| 2.6 本章小结 |
| 第3章 二维尾翼主被动流动控制 |
| 3.1 表征翼型的基本参数 |
| 3.2 二维尾翼模型参数 |
| 3.3 仿真参数设置 |
| 3.3.1 边界条件设置 |
| 3.3.2 网格无关性验证 |
| 3.4 等离子体主动流动控制原理及仿真方法 |
| 3.4.1 等离子体流动控制原理 |
| 3.4.2 等离子体仿真方法 |
| 3.5 仿真准确性验证 |
| 3.6 二维尾翼等离子体主动流动控制 |
| 3.6.1 基础工况流动分析 |
| 3.6.2 等离子体发生器布置位置的确定 |
| 3.6.3 等离子体流动控制效果 |
| 3.7 二维尾翼格尼襟翼被动流动控制 |
| 3.7.1 格尼襟翼形状参数 |
| 3.7.2 格尼襟翼流动控制结果分析 |
| 3.7.3 格尼襟翼流动控制机理分析 |
| 3.8 本章小结 |
| 第4章 三维小展弦比尾翼流动控制 |
| 4.1 三维小展弦比尾翼模型参数及仿真策略 |
| 4.2 三维小展弦比尾翼实验及仿真结果对比 |
| 4.2.1 三维小展弦比尾翼测力实验及结果对比 |
| 4.2.2 三维小展弦比尾翼PIV流动显示实验及结果对比 |
| 4.2.3 烟流流动显示实验及结果对比 |
| 4.3 端板对三维尾翼气动性能的影响 |
| 4.3.1 无端板基础工况流动分析 |
| 4.3.2 不同端板工况尺寸设置 |
| 4.3.3 不同端板工况流动控制结果分析 |
| 4.3.4 不同端板工况流动控制机理分析 |
| 4.4 针对纵向涡结构的翼面变形 |
| 4.5 涡流发生器对三维尾翼气动性能的影响 |
| 4.5.1 涡流发生器几何参数 |
| 4.5.2 涡流发生器流动控制效果 |
| 4.5.3 涡流发生器流动控制机理分析 |
| 4.6 锯齿缺口对三维尾翼气动性能的影响 |
| 4.6.1 锯齿缺口几何参数 |
| 4.6.2 锯齿缺口流动控制效果 |
| 4.6.3 锯齿缺口流动控制机理分析 |
| 4.7 本章小结 |
| 第5章 赛车尾翼与车身气动特性的相互影响 |
| 5.1 赛车模型及仿真参数设置 |
| 5.1.1 仿真参数设置 |
| 5.1.2 尾翼位置设置 |
| 5.2 不同尾翼位置整车各部件下压力及阻力变化 |
| 5.3 车身对尾翼气动特性的影响 |
| 5.4 车身上尾翼三维形状优化 |
| 5.5 尾翼对车身气动特性的影响 |
| 5.5.1 尾翼对车身后部气动特性的影响 |
| 5.5.2 尾翼对扩散器及底板气动特性的影响 |
| 5.6 本章小结 |
| 第6章 全文总结与展望 |
| 6.1 全文总结 |
| 6.2 展望 |
| 参考文献 |
| 作者简介及科研成果 |
| 致谢 |
（4）变刚度柔性体自主推进特性的流固耦合数值研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 游动生物自主推进问题简介 |
| 1.2 游动生物自主推进的研究方法 |
| 1.2.1 实验研究 |
| 1.2.2 理论分析 |
| 1.2.3 数值模型 |
| 1.3 游动生物自主推进的运动方式 |
| 1.4 相关问题的研究现状 |
| 1.4.1 复杂水动力学环境下的生物游动 |
| 1.4.2 生物推进器特定柔性分布和形状设计 |
| 1.5 本文的主要工作 |
| 第二章 流固耦合数值模拟方法 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 流体动力学方程及数值方法 |
| 2.2.1 流体动力学方程 |
| 2.2.2 求解流体动力学方程的格子玻尔兹曼方法 |
| 2.3 弹性固体运动方程及数值方法 |
| 2.3.1 弹性固体运动方程 |
| 2.3.2 求解弹性固体运动方程的有限元法 |
| 2.4 流固界面的数值方法 |
| 2.4.1 边界条件 |
| 2.4.2 浸入边界法 |
| 2.4.3 流固耦合的程序流程 |
| 2.5 数值模拟方法验证 |
| 2.6 本章小结 |
| 第三章 串列双圆柱的旋涡尾流中柔性板自主推进特性研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 物理问题和数学描述 |
| 3.3 计算描述和程序验证 |
| 3.4 计算结果和讨论 |
| 3.4.1 串列圆柱绕流的脱涡模态 |
| 3.4.2 柔性拍动板在串列圆柱尾迹中的运动特性 |
| 3.4.3 输入功与HS运动模式所需的最小拍动振幅 |
| 3.4.4 HS运动模式的平衡机制 |
| 3.4.5 拍动板释放方式的影响 |
| 3.5 本章小结 |
| 第四章 自主推进柔性板最优弦向刚度分布的数值研究 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 物理问题和数学描述 |
| 4.3 计算描述和程序验证 |
| 4.4 计算结果和讨论 |
| 4.4.1 不同刚度分布柔性板的推进特性 |
| 4.4.2 有效弯曲刚度（？）下的推进特性 |
| 4.4.3 流场涡结构和压力分布 |
| 4.4.4 变形与受力分解 |
| 4.4.5 展弦比及质量比的影响 |
| 4.5 本章小结 |
| 第五章 柔性板形状和弦向刚度分布对其推进性能的影响 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 物理问题和数学描述 |
| 5.3 计算描述和程序验证 |
| 5.4 计算结果和讨论 |
| 5.4.1 不同刚度分布和形状参数下柔性板的推进特性 |
| 5.4.2 有效弯曲刚度K~*下的推进特性 |
| 5.4.3 流场分析 |
| 5.4.4 受力分析 |
| 5.5 本章小结 |
| 第六章 工作总结和研究展望 |
| 6.1 工作总结 |
| 6.2 主要创新点 |
| 6.3 研究展望 |
| 参考文献 |
| 攻读博士学位期间的研究成果 |
| 致谢 |
（5）适用于磁共振显微成像系统的集成式微流控芯片设计方法研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 选题背景与意义 |
| 1.2 问题与研究目的 |
| 1.3 磁共振成像技术 |
| 1.4 微流控芯片 |
| 1.5 拓扑优化方法 |
| 1.6 本文的研究内容与组织结构 |
| 第2章 相关理论基础 |
| 2.1 流体问题 |
| 2.2 电磁问题 |
| 2.3 数值计算方法 |
| 2.4 连续体拓扑优化理论 |
| 2.5 变密度方法中特征尺寸控制方法 |
| 2.6 本章小结 |
| 第3章 基于拉格朗日描述的微混合器优化设计 |
| 3.1 被动混合器 |
| 3.2 混合过程的描述 |
| 3.3 粗粒浓度与映射矩阵法 |
| 3.4 混合效果的度量 |
| 3.5 微混合器的拓扑优化模型与敏度分析 |
| 3.6 数值实现 |
| 3.7 数值算例 |
| 3.8 本章小结 |
| 第4章 特征尺寸约束的微流器件优化设计 |
| 4.1 模拟形态学算子 |
| 4.2 基于模拟形态算子的最小实域和最小空域尺寸控制 |
| 4.3 基于最小尺寸控制方法的微Tesla阀设计 |
| 4.4 基于模拟形态算子的最大尺寸控制 |
| 4.5 基于最大尺寸控制方法的微流控器件设计 |
| 4.6 本章小节 |
| 第5章 细胞捕获单元与微梯度线圈的优化设计 |
| 5.1 被动单细胞捕获器拓扑优化设计 |
| 5.1.1 被动单细胞捕获原理以及拓扑优化模型 |
| 5.1.2 捕获方向与流动方向同向细胞捕获单元拓扑优化 |
| 5.1.3 捕获方向与流动方向垂直细胞捕获单元拓扑优化 |
| 5.1.4 捕获方向与流动方向垂直多细胞捕获单元拓扑优化 |
| 5.2 微梯度线圈优化设计 |
| 5.2.1 流函数法设计梯度线圈 |
| 5.2.2 梯度线圈的单目标拓扑优化 |
| 5.2.3 梯度线圈的电阻辅助目标优化设计 |
| 5.3 本章小结 |
| 第6章 总结与展望 |
| 6.1 完成工作总结 |
| 6.2 创新性成果 |
| 6.3 未来工作展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
（6）基于马格纳斯效应的轮轨式风力机的结构设计和三维模拟（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 主要符号说明 |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 风能与风力发电 |
| 1.1.1 风能的应用 |
| 1.1.2 风力发电的主要形式 |
| 1.2 基于马格纳斯效应的垂直轴风力机 |
| 1.2.1 马格纳斯效应与马格纳斯升力 |
| 1.2.2 基于马格纳斯效应的风力机在国内外研究现状 |
| 1.3 马格纳斯风力机的数学模型与运动特性 |
| 1.3.1 柱状叶片的数学模型及其升力 |
| 1.3.2 马格纳斯效应的最大化 |
| 1.3.3 垂直轴风力机中马格纳斯升力极限及叶片转速的关系 |
| 1.4 常见风力发电机的风能利用率 |
| 1.5 本课题研究内容及意义 |
| 第2章 风力机模型小车的结构设计及控制系统 |
| 2.1 设计任务 |
| 2.1.1 电机的选取 |
| 2.1.2 联轴器的设计 |
| 2.2 轴的设计及计算 |
| 2.2.1 车轮轴设计计算 |
| 2.2.2 叶片轴设计计算 |
| 2.3 滚动轴承的选取校核 |
| 2.3.1 车轮轴的轴承 |
| 2.3.2 叶片轴的轴承 |
| 2.4 模型小车控制系统分析与设计 |
| 2.4.1 模型小车控制方案简述 |
| 2.4.2 AT89C51单片机 |
| 2.4.3 鉴相电路 |
| 2.4.4 计数的扩展 |
| 2.4.5 中断系统 |
| 2.5 轮轨式马格纳斯风力机的风能利用率 |
| 2.6 本章小结 |
| 第3章 马格纳斯风力机动态失速现象和功率修正 |
| 3.1 数值模拟方法 |
| 3.1.1 动态失速现象 |
| 3.1.2 动态失速数值模拟 |
| 3.2 数值计算方案 |
| 3.2.1 控制方程 |
| 3.2.2 边界条件 |
| 3.2.3 有限单元离散 |
| 3.2.4 单元影响矩阵 |
| 3.2.5 牛顿线性化 |
| 3.2.6 算法 |
| 3.3 湍流模型及模拟结果 |
| 3.3.1 标准k-e模型 |
| 3.3.2 带旋流修正的k-e模型 |
| 3.3.3 模拟过程与结果 |
| 3.4 流管膨胀模型与功率计算修正 |
| 3.4.1 流管膨胀模型 |
| 3.4.2 模拟计算结果 |
| 3.5 本章小结 |
| 第4章 马格纳斯风力机单叶片三维数值模拟仿真分析 |
| 4.1 研究方法简介 |
| 4.2 计算前处理过程 |
| 4.2.1 计算域网格生成 |
| 4.2.2 计算模型的简化 |
| 4.2.3 计算条件设置 |
| 4.3 计算求解器设置 |
| 4.3.1 静止单叶片绕流 |
| 4.3.2 旋转单叶片绕流 |
| 4.4 计算后处理 |
| 4.4.1 静止单叶片绕流模拟后处理结果及分析 |
| 4.4.2 旋转单叶片绕流模拟后处理结果及分析 |
| 4.4.3 旋转单叶片的残差曲线图、压力云图、速度云图和速度矢量图 |
| 4.4.4 升阻力系数监测及收敛值 |
| 4.5 本章小结 |
| 第5章 马格纳斯风力机流场数值计算分析 |
| 5.1 多运动参考系模型 |
| 5.1.1 多参考系模型(MRF) |
| 5.1.2 滑移网格模型 |
| 5.2 马格纳斯风力机流场和计算模型 |
| 5.3 FLUENT模拟计算前处理设置 |
| 5.3.1 模型设置、网格生成、Models设置等 |
| 5.3.2 定义运动区域 |
| 5.3.3 边界条件设置 |
| 5.3.4 求解参数、初始化、迭代步数设置 |
| 5.4 MRF模型和SMM模型的后处理结果及分析 |
| 5.4.1 速度云图和速度矢量图 |
| 5.4.2 压力云图 |
| 5.5 风力机组单叶片特殊位置下数值计算 |
| 5.5.1 压力云图和速度云图 |
| 5.5.2 升阻力系数监控 |
| 5.6 本章小结 |
| 第6章 总结与展望 |
| 6.1 本文的工作总结 |
| 6.2 本文的主要创新点 |
| 6.3 研究展望 |
| 参考文献 |
| 附录 A |
| 附录 B |
| 在读期间发表的学术论文及研究成果 |
| 致谢 |
（7）消声器声学特性计算的流声耦合方法研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题的背景及意义 |
| 1.2 消声器声学特性计算方法研究现状 |
| 1.2.1 解析方法 |
| 1.2.2 数值方法 |
| 1.3 消声器流声耦合问题研究现状 |
| 1.4 消声器自激振荡研究现状 |
| 1.5 本文主要研究内容 |
| 第2章 无流状态下消声器声学性能计算与分析 |
| 2.1 声波控制方程 |
| 2.2 有限元方程 |
| 2.2.1 近似形式 |
| 2.2.2 边界条件 |
| 2.3 传递损失 |
| 2.4 消声器声学性能计算与分析 |
| 2.4.1 双级膨胀腔消声器 |
| 2.4.2 三通穿孔管消声器 |
| 2.5 本章小结 |
| 第3章 流声单向耦合计算方法 |
| 3.1 运流声场控制方程 |
| 3.2 有限元方程的建立 |
| 3.3 流声单向耦合方法 |
| 3.3.1 计算流程 |
| 3.3.2 数据传递 |
| 3.3.3 数值误差 |
| 3.4 传递损失 |
| 3.5 穿孔消声器声学性能计算与分析 |
| 3.5.1 直通穿孔管消声器 |
| 3.5.2 横流穿孔管消声器 |
| 3.5.3 两通穿孔管消声器 |
| 3.5.4 三通穿孔管消声器 |
| 3.5.5 直通穿孔管阻性消声器 |
| 3.6 本章小结 |
| 第4章 线性Navier-Stokes方程计算方法 |
| 4.1 线性Navier-Stokes方程 |
| 4.2 有限元方程 |
| 4.3 数值计算 |
| 4.3.1 数值误差 |
| 4.3.2 计算效率 |
| 4.4 声能量与涡声理论 |
| 4.4.1 声能量 |
| 4.4.2 涡声理论 |
| 4.4.3 涡波 |
| 4.5 传递损失 |
| 4.6 典型结构消声器声学性能计算与分析 |
| 4.6.1 共振器 |
| 4.6.2 膨胀腔消声器 |
| 4.6.3 穿孔管消声器 |
| 4.7 本章小结 |
| 第5章 流声耦合作用下线性判稳方法 |
| 5.1 声学系统判稳理论 |
| 5.1.1 状态空间模型 |
| 5.1.2 传递函数矩阵 |
| 5.1.3 稳定性 |
| 5.1.4 广义奈奎斯特稳定判据 |
| 5.1.5 声能稳定判据 |
| 5.1.6 线性散射矩阵和反射矩阵 |
| 5.2 基于线性Navier-Stokes方程的流致噪声预报 |
| 5.2.1 不稳定声学系统的候选流速和频率 |
| 5.2.2 广义奈奎斯特稳定判据的结果 |
| 5.2.3 声能稳定判据的预报结果 |
| 5.3 实验测量 |
| 5.3.1 实验台架 |
| 5.3.2 测试过程 |
| 5.3.3 测量结果 |
| 5.4 计算实例与分析 |
| 5.4.1 阻式和双颈管式Helmholtz共振器 |
| 5.4.2 直通穿孔管消声器 |
| 5.4.3 反射矩阵的调整 |
| 5.5 本章小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果 |
| 致谢 |
（8）固体间碰撞与流体耦合的数值分析方法研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 创新点摘要 |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究目的及意义 |
| 1.2 流固耦合方法研究现状 |
| 1.3 浸入边界方法研究现状 |
| 1.3.1 浸入边界方法发展现状 |
| 1.3.2 浸入边界方法应用现状 |
| 1.4 本文主要研究内容 |
| 第二章 湍流动力学数值分析的浸入边界方法 |
| 2.1 流体动力学数值分析方法 |
| 2.1.1 流体动力学基本控制方程 |
| 2.1.2 湍流模型 |
| 2.1.3 有限体积法 |
| 2.1.4 流场数值解法 |
| 2.2 改进的清晰界面浸入边界方法 |
| 2.2.1 基本原理 |
| 2.2.2 湍流流动清晰界面浸入边界方法 |
| 2.2.3 壁面函数法中对NB节点湍流变量的修正 |
| 2.2.4 浸入边界上流体力计算方法 |
| 2.2.5 动边界处理方法 |
| 2.2.6 湍流流动清晰界面浸入边界方法计算流程 |
| 2.3 湍流流动清晰界面浸入边界数值方法验证 |
| 2.3.1 静止圆柱绕流 |
| 2.3.2 静止圆球绕流 |
| 2.3.3 受迫振动圆柱绕流 |
| 2.4 本章小结 |
| 第三章 基于浸入边界法的流固耦合分域求解数值方法 |
| 3.1 结构动力学的有限单元法 |
| 3.1.1 结构动力学基本方程 |
| 3.1.2 结构动力学求解的Newmark积分法 |
| 3.2 流固耦合分域求解数值算法 |
| 3.2.1 流固耦合分域求解数值模型 |
| 3.2.2 分域求解耦合界面物理量传递 |
| 3.2.3 分域求解时间推进算法 |
| 3.2.4 分域求解计算流程 |
| 3.3 流固耦合分域求解数值算法验证 |
| 3.3.1 单圆柱涡激振动 |
| 3.3.2 单个球形颗粒的自由沉降 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 固体间碰撞与流体耦合的数值分析方法 |
| 4.1 固体接触与碰撞非线性有限元分析 |
| 4.1.1 接触状态判定条件 |
| 4.1.2 罚函数法的有限元方程建立 |
| 4.1.3 罚函数法的有限元方程求解方法 |
| 4.2 润滑模型 |
| 4.3 固体间碰撞与流体耦合的数值分析方法计算流程 |
| 4.4 固体间碰撞与流体耦合的数值分析方法验证 |
| 4.4.1 颗粒与壁面正碰撞 |
| 4.4.2 颗粒与壁面斜碰撞 |
| 4.4.3 DKT现象 |
| 4.5 本章小结 |
| 第五章 工程算例数值分析 |
| 5.1 涡激诱导并列双圆柱碰撞数值模拟研究 |
| 5.1.1 计算模型及初始条件 |
| 5.1.2 结果分析 |
| 5.2 海流对坠物撞击海底管道影响研究 |
| 5.2.1 海流对坠物自由沉降的影响研究 |
| 5.2.2 海流对坠物接近并撞击海底管道的影响研究 |
| 5.3 海洋立管流致振动及碰撞特性研究 |
| 5.3.1 单立管流致振动的数值模拟 |
| 5.3.2 串列立管流致振动及其碰撞的数值模拟 |
| 5.3.3 并列立管流致振动及其碰撞的数值模拟 |
| 5.4 本章小结 |
| 结论与展望 |
| 参考文献 |
| 攻读博士期间发表的文章和取得的科研成果 |
| 致谢 |
（9）基于过渡层改进的浸入式有限元法及其在静脉瓣病理行为研究中的应用（论文提纲范文）
| 中文摘要 |
| abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 静脉学问题的研究背景及意义 |
| 1.2 静脉动力学行为的研究现状 |
| 1.3 流-固耦合方法的特点与发展现状 |
| 1.3.1 流-固耦合方法的特点 |
| 1.3.2 流-固耦合方法的发展现状 |
| 1.4 浸入式有限元法的特点、发展现状与发展趋势 |
| 1.4.1 浸入式有限元法的特点 |
| 1.4.2 浸入式有限元法的发展现状和应用 |
| 1.4.3 浸入式有限元法的发展趋势 |
| 1.5 本文研究的目的和主要内容 |
| 第2章 经典浸入式有限元理论及程序实现 |
| 2.1 浸入式有限元的基本思想 |
| 2.1.1 基本概念 |
| 2.1.2 主要假设 |
| 2.1.3 基本思路 |
| 2.2 浸入式有限元的理论方程及离散格式 |
| 2.2.1 基本控制方程 |
| 2.2.2 有限元离散格式 |
| 2.3 浸入式有限元的程序实现 |
| 2.3.1 程序框架和模块 |
| 2.3.2 算例验证 |
| 2.4 浸入式有限元理论中存在的问题 |
| 2.4.1 经典理论中存在的问题 |
| 2.4.2 现有理论的改进 |
| 2.4.3 仍有待改进的内容 |
| 2.5 本章小结 |
| 第3章 浸入式过渡层有限元的基本理论 |
| 3.1 浸入式过渡层有限元的改进 |
| 3.1.1 空域—虚拟流体的替代 |
| 3.1.2 过渡层的引入 |
| 3.1.3 动量补偿 |
| 3.1.4 黏附接触作用的考虑 |
| 3.2 浸入式过渡层有限元理论的建立 |
| 3.2.1 流体基本控制方程 |
| 3.2.2 固体基本控制方程 |
| 3.2.3 流-固耦合处的插值方程 |
| 3.2.4 黏附接触算法方程 |
| 3.3 有限元离散格式 |
| 3.3.1 流体动力学方程的有限元格式 |
| 3.3.2 固体动力学方程的有限元格式 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 浸入式过渡层有限元程序的实现与关键技术 |
| 4.1 浸入式过渡层有限元的程序框架 |
| 4.1.1 算法流程 |
| 4.1.2 有限元程序实现流程 |
| 4.2 浸入过渡层有限元程序的核心模块 |
| 4.2.1 流体求解器 |
| 4.2.2 固体求解器 |
| 4.2.3 流-固耦合求解器 |
| 4.3 浸入式过渡层有限元的关键技术 |
| 4.3.1 过渡层流体的有限元模型 |
| 4.3.2 流-固耦合的插值策略 |
| 4.3.3 动量补偿的预估-修正 |
| 4.3.4 黏附接触模块的引入 |
| 4.4 算法效率的验证 |
| 4.5 浸入式过渡层有限元法的算例验证 |
| 4.5.1 固体求解器的验证 |
| 4.5.2 黏附接触模块的验证 |
| 4.5.3 刚性体固定的流-固耦合算例 |
| 4.5.4 刚性体移动的流-固耦合算例 |
| 4.5.5 线弹性体变形的流-固耦合算例 |
| 4.5.6 超弹性体变形的流-固耦合算例 |
| 4.6 本章小结 |
| 第5章 基于浸入式过渡层有限元法的静脉动力学行为研究 |
| 5.1 静脉的数值模型的建立 |
| 5.1.1 几何模型 |
| 5.1.2 材料模型 |
| 5.1.3 有限元模型 |
| 5.2 健康静脉的瓣膜循环动力学行为 |
| 5.2.1 正常的静脉瓣膜循环 |
| 5.2.2 静脉的运动特性分析 |
| 5.2.3 血液的流体力学分析 |
| 5.2.4 静脉的功能性分析 |
| 5.3 静脉数值模型的参数分析 |
| 5.4 本章小结 |
| 第6章 基于浸入式过渡层有限元法的静脉病理行为研究 |
| 6.1 瓣膜病变对静脉动力学行为的影响 |
| 6.1.1 瓣膜病变的考虑 |
| 6.1.2 瓣膜病变对静脉变形的影响规律分析 |
| 6.1.3 瓣膜病变对血液流动的影响规律分析 |
| 6.1.4 瓣膜病变对壁面切应力的影响规律分析 |
| 6.1.5 讨论 |
| 6.2 静脉壁病变对静脉动力学行为的影响 |
| 6.2.1 静脉壁病变的考虑 |
| 6.2.2 静脉壁病变对静脉变形的影响规律分析 |
| 6.2.3 静脉壁病变对血液流动的影响规律分析 |
| 6.2.4 静脉壁病变对壁面切应力的影响规律分析 |
| 6.2.5 讨论 |
| 6.3 本章小结 |
| 第7章 结论与展望 |
| 7.1 全文总结 |
| 7.2 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 作者在攻读博士学位期间所发表的论文 |
| 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目 |
（10）动力学问题的高精度算法及其在燃气轮机工程的探索（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 主要符号表 |
| 主要缩写表 |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景及意义 |
| 1.2 国内外的研究现状 |
| 1.2.1 Hamilton系统的数值算法 |
| 1.2.2 时间有限元方法 |
| 1.2.3 线性Hamilton系统数值算法的不足 |
| 1.2.4 非线性Hamilton系统数值算法的不足 |
| 1.2.5 非线性偏微分方程(Navier-Stokes方程)的数值算法 |
| 1.3 本文的主要工作及创新点 |
| 1.3.1 本文主要工作 |
| 1.3.2 本文主要构成及创新点 |
| 第二章 Hamilton系统及其数值方法 |
| 2.1 Hamilton系统 |
| 2.2 Hamilton系统的辛结构 |
| 2.2.1 辛算法 |
| 2.2.2 常见的辛算法 |
| 2.3 Hamilton系统的守恒规律 |
| 2.4 数值算例阐明Hamilton系统的特性 |
| 2.4.1 辛算法对系统结构的保持 |
| 2.4.2 辛算法对系统守恒规律的保持 |
| 2.5 小结 |
| 第三章 时间有限元方法求解Hamilton系统 |
| 3.1 时间间断有限元方法的基本知识 |
| 3.2 时间间断有限元方法求解线性Hamilton系统 |
| 3.2.1 无相位误差加权间断时间有限元方法(WDG-PDF) |
| 3.2.2 WDG-PDF算法数值算例 |
| 3.3 自适应时间有限元方法求解非线性Hamilton系统 |
| 3.3.1 自适应时间有限元算法(A-TFEM) |
| 3.3.2 自适应时间有限元方法的保辛和保能量特性 |
| 3.4 自适应时间有限元方法数值算例 |
| 3.4.1 Vander Pol振荡器 |
| 3.4.2 单摆运动 |
| 3.4.3 Huygens振子 |
| 3.4.4 三重旋转反对称Hamilton系统 |
| 3.4.5 Henon-Heiles系统 |
| 3.4.6 Kepler系统 |
| 3.5 小结 |
| 第四章 燃气轮机动态过程的时间有限元方法 |
| 4.1 燃气轮机的动态过程的数学模型 |
| 4.1.1 牛顿形式 |
| 4.1.2 Hamilton形式 |
| 4.2 有精确解的燃气轮机动态过程的数学模型 |
| 4.2.1 模型一 |
| 4.2.2 模型二 |
| 4.3 三轴燃气轮机动态过程的时间有限元仿真 |
| 4.3.1 供油规律与转子转动角速度呈线性关系 |
| 4.3.2 供油规律与转子转动角速度呈抛物线关系 |
| 4.4 小结 |
| 第五章 偏微分方程(Navier-Stokes方程)数值方法的研究分析 |
| 5.1 混合有限元方法(GRPC) |
| 5.2 投影法 |
| 5.3 增量压力矫正算法(IPCS) |
| 5.4 Gauge方法 |
| 5.5 Gauge Uzawa方法 |
| 5.6 小结 |
| 第六章 改进Gauge算法(MGM) |
| 6.1 改进Gauge方法(MGM) |
| 6.1.1 MGM算法基本方程及计算过程 |
| 6.1.2 边界条件讨论 |
| 6.1.3 初值条件 |
| 6.2 MGM算法有限元离散方案及求解 |
| 6.2.1 MGM方法α?p的选择 |
| 6.2.2 MGM方法空间有限元离散 |
| 6.2.3 MGM时间有限元离散 |
| 6.2.4 时间层采用向后欧拉差分 |
| 6.2.5 MGM方法计算流程 |
| 6.2.6 时空步长的选择 |
| 6.2.7 代数方程组求解器选择 |
| 6.3 稳定性和误差分析 |
| 6.4 MGM方法数值算例 |
| 6.4.1 二维方腔环流(有解析解) |
| 6.4.2 [0, 1] × [0, 1] 方腔驱动问题 |
| 6.4.3 圆柱绕流 |
| 6.4.4 后台阶流 |
| 6.4.5 双出口Y型流场 |
| 6.4.6 Beltrami流(3D) |
| 6.4.7 三维的圆球绕流 |
| 6.4.8 MGM方法求解Boussinesq方程 |
| 6.5 叶型和叶栅流动 |
| 6.5.1 绕NACA叶型流动 |
| 6.5.2 轴流压气机叶栅中的流动 |
| 6.6 小结 |
| 第七章 总结与展望 |
| 附录 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 在学期间的研究成果及发表的论文 |
四、A FINITE ELEMENT SOLVER FOR NAVIER-STOKES EQUATIONS VIA VORTICITY AND VELOCITY（论文参考文献）
- [1]绕椭球的低速流动研究[J]. 丛成华,邓小刚,毛枚良. 力学进展, 2021(03)
- [2]基于Fluent的低雷诺数下圆柱绕流流动特性数值模拟研究[D]. 童晓剑. 扬州大学, 2021(08)
- [3]赛车尾翼主被动流动控制研究[D]. 弓宏宇. 吉林大学, 2021(01)
- [4]变刚度柔性体自主推进特性的流固耦合数值研究[D]. 王文江. 中国科学技术大学, 2021(09)
- [5]适用于磁共振显微成像系统的集成式微流控芯片设计方法研究[D]. 郭煜晨. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所), 2020(03)
- [6]基于马格纳斯效应的轮轨式风力机的结构设计和三维模拟[D]. 宋奇. 南京师范大学, 2020(03)
- [7]消声器声学特性计算的流声耦合方法研究[D]. 黄虹溥. 哈尔滨工程大学, 2020
- [8]固体间碰撞与流体耦合的数值分析方法研究[D]. 杨明. 东北石油大学, 2019(03)
- [9]基于过渡层改进的浸入式有限元法及其在静脉瓣病理行为研究中的应用[D]. 刘翔. 武汉理工大学, 2019(07)
- [10]动力学问题的高精度算法及其在燃气轮机工程的探索[D]. 朱帅. 上海交通大学, 2019(06)