针对自由表面流动与弹性结构的流固耦合计算效率低、计算耗时长的问题,将流体体积法与基于结构-虚拟弹性体的快速动网格方法相结合,发展了一种适用于自由表面流动的高效流固耦合方法。使用流体体积(volume of fluid,VOF)法对流体自由表...针对自由表面流动与弹性结构的流固耦合计算效率低、计算耗时长的问题,将流体体积法与基于结构-虚拟弹性体的快速动网格方法相结合,发展了一种适用于自由表面流动的高效流固耦合方法。使用流体体积(volume of fluid,VOF)法对流体自由表面进行追踪;将流体域视为虚拟弹性体并构建结构-虚拟弹性体系统,以流固耦合界面的多相流体力为激励求解系统的动力学方程得到结构振动位移和流场网格变形;在每一个时间步内依次求解流体流动、结构变形和流场动网格,实现流固耦合计算。基于发展的方法计算了溃坝水流冲击下弹性挡板的流固耦合响应,得到了溃坝水流的自由液面和弹性挡板的运动行为,结果表明:自由液面演变和弹性挡板振动位移的计算结果与已有算法的结果吻合良好;在同等网格规模下,与已有算法相比本文方法可减少33.3%的计算时间;在水流冲击作用下,弹性挡板向冲击侧小幅弯曲。随后水流沿挡板左侧上升并形成射流,挡板向另一侧大幅弯曲。最后由于两侧流体的阻尼,挡板振幅逐渐衰减。展开更多
碎屑流是我国山区最危险的地质灾害之一,山区桥墩常受到碎屑流冲击而开裂、倾斜甚至倒塌,给山区桥梁建设、运营带来严重的安全隐患。采用离散元方法(discrete element method,DEM)和有限元方法(finite element method,FEM)耦合的三维数...碎屑流是我国山区最危险的地质灾害之一,山区桥墩常受到碎屑流冲击而开裂、倾斜甚至倒塌,给山区桥梁建设、运营带来严重的安全隐患。采用离散元方法(discrete element method,DEM)和有限元方法(finite element method,FEM)耦合的三维数值模拟方法模拟了碎屑流对双柱式桥墩的冲击效应,并结合斜槽试验,验证了耦合方法的准确性,进一步分析了碎屑流冲击坡度、距离和体积密度对桥墩冲击力的影响规律。结果表明,最大冲击力与碎屑流冲击坡度、距离和体积密度分别呈幂函数(指数大于1)、幂函数(指数小于1)和线性正相关。冲击坡度、距离和体积密度对最大冲击力的敏感度值分别为3.012、0.202、0.804,在桥梁碎屑流灾害防治时需重视冲击坡度和体积密度的影响。将冲击力的数值模拟值与流体动力学模型预测值对比分析表明,流体动力学模型理论公式能较好地预测桥墩所受的最大冲击力,最大预测误差低于23.6%。相关研究结果可为山区桥梁碎屑流灾害防治与设计提供一定的参考依据。展开更多
文摘针对自由表面流动与弹性结构的流固耦合计算效率低、计算耗时长的问题,将流体体积法与基于结构-虚拟弹性体的快速动网格方法相结合,发展了一种适用于自由表面流动的高效流固耦合方法。使用流体体积(volume of fluid,VOF)法对流体自由表面进行追踪;将流体域视为虚拟弹性体并构建结构-虚拟弹性体系统,以流固耦合界面的多相流体力为激励求解系统的动力学方程得到结构振动位移和流场网格变形;在每一个时间步内依次求解流体流动、结构变形和流场动网格,实现流固耦合计算。基于发展的方法计算了溃坝水流冲击下弹性挡板的流固耦合响应,得到了溃坝水流的自由液面和弹性挡板的运动行为,结果表明:自由液面演变和弹性挡板振动位移的计算结果与已有算法的结果吻合良好;在同等网格规模下,与已有算法相比本文方法可减少33.3%的计算时间;在水流冲击作用下,弹性挡板向冲击侧小幅弯曲。随后水流沿挡板左侧上升并形成射流,挡板向另一侧大幅弯曲。最后由于两侧流体的阻尼,挡板振幅逐渐衰减。
文摘碎屑流是我国山区最危险的地质灾害之一,山区桥墩常受到碎屑流冲击而开裂、倾斜甚至倒塌,给山区桥梁建设、运营带来严重的安全隐患。采用离散元方法(discrete element method,DEM)和有限元方法(finite element method,FEM)耦合的三维数值模拟方法模拟了碎屑流对双柱式桥墩的冲击效应,并结合斜槽试验,验证了耦合方法的准确性,进一步分析了碎屑流冲击坡度、距离和体积密度对桥墩冲击力的影响规律。结果表明,最大冲击力与碎屑流冲击坡度、距离和体积密度分别呈幂函数(指数大于1)、幂函数(指数小于1)和线性正相关。冲击坡度、距离和体积密度对最大冲击力的敏感度值分别为3.012、0.202、0.804,在桥梁碎屑流灾害防治时需重视冲击坡度和体积密度的影响。将冲击力的数值模拟值与流体动力学模型预测值对比分析表明,流体动力学模型理论公式能较好地预测桥墩所受的最大冲击力,最大预测误差低于23.6%。相关研究结果可为山区桥梁碎屑流灾害防治与设计提供一定的参考依据。
