浅海围栏牧场设施工程数值模拟分析

为了研究浅海养殖围栏设施的可靠性、安全性,以我国海洋工程的桩基设计及渔用网片水动力性能研究为基础,应用现代仿真技术与计算机数值模拟技术,对围栏设施阻力进行模拟计算与分析。研究表明,对单一网片采用数值模拟的方法进行受力分析是可行的,其误差范围为±3 N,采用数值模拟方法对围栏设施的水动力性能进行研究,得出随着桩柱数的增加、流速的加快,围栏设施的总阻力也逐渐增大,同时在一定区间内其总阻力的变化小,适当增加桩柱数或选择合适桩柱数,对围栏设施有很好的保护作用。     

贻贝浮筏养殖设施水动力效应及附生海藻碎屑输运的数值模拟

基于三维海洋数值模式(estuarine coastal ocean model, semi-implicit, Ecom-si)对枸杞岛邻近贻贝养殖海域的水动力进行了数值模拟研究。通过在模型动量方程中添加动量损耗项,实现了对贻贝浮筏养殖设施阻流效应的模拟,采用实测数据对模型进行了潮位及流速的验证。利用验证良好的数值模型模拟了潮流驱动下养殖设施附生海藻碎屑漂移及沉降。结果表明,贻贝养殖设施及养殖贝串在海表的阻流效应使表层流速降低了约80%,中、下层流速分别降低了约50%和30%,在养殖海域外围因过流面的减小使得养殖场外围的流速有所增大。应用拉格朗日质点追踪模块模拟的结果表明,当碎屑质点处于悬浮状态即质点沉降速率(w)为0 m/s时,质点需要约600 h才能达到36.79%(e^-1)的沉底率;且无阻流效应时,沉底质点的分布在距养殖区中心9.0～10.5 km的区域内,有阻流效应时,质点的沉底范围分布在距养殖区中心7.5～8.5 km的区域内。当w大于0 m/s时,3种碎屑沉降速度的结果差异不大,大约在80 h内质点的沉底率达到99%,无阻流效应时质点沉降区域为距养殖...     

基于Fluent的工厂化水产养殖增氧锥的数值模拟及结构优化设计

利用Fluent软件中的Mixture模型和标准湍流模型对设计的不同结构增氧锥内部流场进行了数值模拟,得到了流场内部多相流的速度分布云图及速度矢量图,揭示了不同结构增氧锥气液接触起点处管内流体的流动状态.通过对增氧锥模拟数据的分析,得出氧气进气管布置在增氧锥锥顶竖直进水管的中下部最为合适,并通过增氧试验验证,证实仿真结果与试验结果吻合.     

压电智能传感器力学模型的建立及数值模拟

以单片压电陶瓷（如锆钛酸铅,简称PZT）晶体、粘贴式和埋入式压电传感器为研究对象,从压电本构方程和结构动力学的振动原理出发,采用集总质量法推导出PZT传感器正压电效应的电荷表达式及等效刚度表达式,建立粘贴式和埋入式PZT传感器的简化力学模型,得到考虑多参数影响的电荷表达式。考虑黏结胶层阻尼吸收能量的作用,建立了胶层阻尼效应影响的传感模型,并求得压电传感器的电压表达式。数值模拟结果表明：在PZT传感模型中,利用压电方程和振动方程联合求解可以快速得到PZT的传感信号,而且PZT片的电压输出特性与作用力的大小及黏结胶层有关。通过测量和分析PZT传感器输出电信号峰值与频率的变化,并与数值分析结果进行对比,证明了运用所建立的传感模型能够有效地模拟检测PZT的正压电规律。     

枸杞岛养殖海域流场环境改造的数值模拟

为造成适合于网箱养鱼的流场环境，同时扩大贻贝和藻类养殖面积，拟在枸杞岛西侧海域建设堤坝工程，通过数值实验对工程前后的流场变化进行了模拟。数值模型采用半隐式有限差分格式，经离散处理后，模型最后用迭代法求解一个五点方程。计算结果显示，模拟流场与枸杞岛周围海域实际流场吻合、精度良好。在此基础上，对两个不同的建坝方案分别进行数值计算，预演、比较堤坝工程实施前后海域流场的变化，从中选择既满足南侧海域深水网箱养殖的低流速要求，又可以尽量增加北侧海域贝类、藻类养殖面积的较佳方案。     

枸杞岛养殖海域流场环境改造的数值模拟

为造成适合于网箱养鱼的流场环境，同时扩大贻贝和藻类养殖面积，拟在枸杞岛西侧海域建设堤坝工程，通过数值实验对工程前后的流场变化进行了模拟。数值模型采用半隐式有限差分格式，经离散处理后，模型最后用迭代法求解一个五点方程。计算结果显示，模拟流场与枸杞岛周围海域实际流场吻合、精度良好。在此基础上，对两个不同的建坝方案分别进行数值计算，预演、比较堤坝工程实施前后海域流场的变化，从中选择既满足南侧海域深水网箱养殖的低流速要求，又可以尽量增加北侧海域贝类、藻类养殖面积的较佳方案。     

黏土弹塑性变形的数值模拟方法研究

在对黏土土样进行典型土力学实验的基础上,根据岩土材料的弹塑性理论,选取适用于岩土类材料的Drucker-Prager准则和与之相关的流动法则,对土样单轴压缩实验采用有限元软件进行数值模拟。模拟与试验结果比较表明:预测得到的屈服面与试验所得破坏面的方位吻合很好,证明所选的土的弹塑性模型是正确的;笔者提出的从土样试验提取模型参数,并根据土样特征选取相应模型进行数值计算的研究方法是可行的,适用用于土工程屈服失效问题的数值计算。     

用于海水养殖的管壳式梯级相变蓄热装置内部传热特性的数值模拟研究

为了解决海水养殖中太阳能不连续、不稳定的蓄热问题,本文设计了可用于海水养殖行业的高效梯级相变蓄热器模型,并对其内部传热特性进行了数值模拟研究,分别对同一工况下每级PCM(PCM1、PCM2、PCM3)内部上中下三部分位置的传热特性进行了分析和讨论,同时还探究了梯级相变蓄热装置中每级PCM内相同位置的传热特性差异。结果表明:管壳式梯级相变蓄热装置在充热前期内部传热以热传导为主导,中后期以自然对流为主导;PCM上中下三部分都有较显著的传热差异,PCM3熔化速度较PCM2、PCM1快,PCM下部与中部之间的对流传热是影响换热器整体相变速率的关键。本文建立的管壳式梯级相变蓄热模型可为高效梯级相变蓄放热装置的结构设计提供依据,以推动高效梯级相变蓄热技术在海水养殖等行业的大规模应用。     

微生物固化风积沙力学特性及细观模拟研究

风积沙颗粒细小均匀,粒间无黏聚力,其力学特性较差,通过微生物诱导碳酸钙沉淀技术(Microbial-Induced Calcite Precipitation,MICP),可胶结松散土颗粒,改善风积沙的力学特性.采用无侧限抗压强度试验研究微生物固化风积沙的力学特性,并结合扫描电镜及离散元数值模拟方法(Partical ...     

蒸发条件下地下水对1 m土体水分补给的数值模拟

采用数值方法,模拟分析了6种典型土壤的1m主体在不同蒸发强度条件下地表下20,50,100cm处土壤水分通量与地下水理深之间的关系。研究结果表明：若以5d或10d为平均时段,在一定的地下水理深条件下,土壤剖面中各深度的水分通量与土壤质地及水面蒸发强度间的关系可用土壤水分包络线图来表示。应用该包络线图,可分析计算裸地不同地下水埋深、不同蒸发条件下地下水对1m主体的补给量。在同样的水面蒸发强度下,地下水埋深起大,则谷深度的水分通量越小,当地下水理深大于3m时,地下水对1m主体已基本没有补给。     

灌溉方式对土壤中水分运动影响的模拟研究

在温室生产中,作物需要的水分主要依靠滴灌和喷灌方式供给,为了解在不同灌溉方式下土壤中水分运动的规律,以Navier-Stokes方程为框架、运用CFX流体动力学分析软件对滴灌和喷灌方式下水分运动情况进行了三维稳态模拟,模拟中设单位时间内供水量相同.模拟结果显示:灌溉方式对土壤中水分运动和分布有重要作用.在滴灌下,水分主要集中在作物根系区域,水分利用效率高.土壤水分呈近球状分布,随着灌溉时间的增加,球形边界逐渐模糊并向土壤深层延伸.在喷灌下,土壤水分一层层向下渗透,水分含量呈从上往下逐步递减,在每一层中的水分含量相对均一,在相同灌溉量下水分接触土壤量比滴灌时少.     

基于数值模拟的材料力学教学导入法

材料力学是工科专业学生的一门重要专业基础课,教学大纲涵盖大量概念性知识和方法性知识。为了帮助学生在课堂上尽快进入课题情境,笔者借助有限元分析软件,在课题导入时将数值模拟的计算结果展现在学生的眼前,让学生直观看到力学现象、构件受力特点以及破坏形态,有利于启发学生积极思考,顺利进入课题情境。实践证明数值模拟的引入有效提高了课堂授课质量。     

粉碎机异形筛片气流场数值模拟及试验研究

针对传统环筛式锤片饲料粉碎机存在气固环流层影响粉碎机性能的问题,采用理论分析、数值模拟、粉碎性能试验相结合的方法,对粉碎机安装异形筛片时粉碎室内物料颗粒受到的气力作用和内部流场运动规律进行研究。分析粉碎机使用异形筛片对粉碎性能的影响。优化后的异形筛片分别命名为B_1(小圆弧半径R_1=51mm)、B_2(R_1=83mm)、B_3(R_1=93mm),利用流体动力学软件对粉碎室安装3种异形筛片的气流场进行数值模拟,获得粉碎室气流场分布信息。在相同工况下,对装有3种异形筛片的CPS-420型粉碎机进行粉碎性能试验,分析不同筛片对物料粉碎效果的影响。模拟结果表明:粉碎机采用间隔分段圆弧筛片后,粉碎室环流区域产生不同强度的涡旋,能够改变物料环流运动规律,提高物料过筛能力;锤片组扫过区域的气流呈现出较为杂乱无序的分布状态,有利于形成湍流运动,从而增加物料颗粒受打击几率。粉碎性能试验结果表明:锤片饲料粉碎机安装B_3筛片的粉碎机生产效率,较B2、B1筛片分别提高8.1%、16.0%,吨料耗电量分别降低10.5%、15.0%,温升分别降低0.6和0.1℃。优化后的3种异形筛片,能够提高粉碎机的生产效率,降低电能的损耗、改善物料温升,对提高锤片饲料粉碎机性能具有积极意义。     

天然气长输管道泄漏工况数值模拟

针对无风和有风情况下埋地天然气管道的管状扩散和渗透扩散泄漏过程建立了物理数学模型,使用Gambit软件对模型进行网格划分,运用计算流体软件Fluent进行数值模拟,研究了两种泄漏过程在不同时刻的扩散区域和安全避让区域,以及土壤渗透率对天然气泄漏扩散区域和浓度分布的影响。结果表明：天然气泄漏在有风情况下对地面扩散的影响更大,当风速增大到一定程度时,仅在泄漏口上风向存在安全区域;泄漏天然气穿过土壤层后剩余速度的大小决定了扩散高度、范围和气流形态,相对低渗透土壤,穿过高渗透率土壤层的天然气在空气中形成的扩散区域更大,扩散高度更高,但后期两者扩散范围基本相同。（图8,参10）     

混凝土劈裂实验及裂纹开展过程的数值模拟

通过混凝土劈裂实验和氯离子渗透实验,得到了微裂隙对氯离子渗透性能影响的相关结论。为验证和解释实验现象,采用有限元数值模拟方法模拟混凝土劈裂及裂纹扩展的全过程,探讨裂纹扩展趋势及其分布规律。数值模拟再现了微裂纹萌生、扩展、贯通直至失稳的全过程,其破坏位置、形式均与实验结果一致,验证了数值模拟的可行性;同时,通过对横向位移、微裂纹扩展以及等效应力分布变化过程的模拟分析,验证并解释了试验中的相关结论。可见,数值模拟方法对混凝土耐久性研究具有一定的指导价值。     

参数平均方式对层状夹砂土壤积水入渗数值模拟的影响

为研究非饱和土壤水分运动方程中参数的平均方式对层状土水分运动数值模拟的影响,采用有限差分方法对Richards方程进行离散,并用MATLAB软件编程模拟层状夹砂土柱的薄层积水入渗过程。对差分网格中半节点参数的8种不同平均方式进行了数值模拟稳定性和精度的比较。结果表明:不同平均方式下湿润峰到达某一深度的时间与该处的土壤含水量增速呈负相关关系;间接算术平均和调和平均下的土壤含水率数值振荡较大;几何平均和三点平均2种方式下入渗率、累积入渗量和湿润锋误差相对较小。综合分析,几何平均和三点平均更适合层状夹砂土情况下薄层积水入渗过程的数值模拟。     

土壤水分过多对春玉米生长发育影响的模拟模型研究

运用ＰｅｎｎｉｎｇｄｅＶｒｉｅｓ研制的作物生长模型结合田间与水槽水分实验结果,建立了稻田玉米生长动态模拟模型。通过两年的实验验证,表明模型对稻田单作玉米的生育期、地上部茎叶干物质的动态及叶面积的变化的模拟与实测值较为一致,而对套作玉米的模拟则差异较大,需进一步考虑套作共生期内的麦／玉米之间的相互作用。文中还对模拟与实测值之间的差异进行了统计分析。     

3D欧拉法和层流模型对水轮机转轮内部流场的数值模拟

3D欧拉法和层流解法都具有控制方程个数少，计算简单、省时的特点，均能够快速地在最优工况点附近得到合理的数值解。可以用于转轮叶片的初步的水力计算和其他湍流模型计算结果的校核。分别应用这2种算法对一混流式水轮机转轮内部流体的三维流动进行了数值模拟，方程离散采用有限体积法，插值采用二阶迎风格式，压力-速度耦合采用SIMPLEC算法，计算了3个典型工况(最优工况、大流量工况和小流量工况)，得到了转轮内部合理的速度分布和压力分布。最优工况点的效率计算值比试验值高3．09个百分点，计算所需时间比标准κ-ε湍流模型少30％～40％。     

河流穿越管道小孔泄漏数值模拟

针对河流穿越管道泄漏后油品在水中的迁移扩散问题,采用计算流体力学中的有限体积法,选取标准K-ε湍流模型,建立河流穿越管道小孔泄漏的数值仿真模型。模拟了柴油在水域中的迁移扩散过程,并分析比较不同泄漏孔径、泄漏速度和水流速度条件下的油品体积分数和扩散范围。研究结果表明：泄漏速度、泄漏孔径和水流速度不仅直接影响油品在水中的扩散轨迹及迁移方式,而且会改变油品在水中的体积分数和扩散范围,该研究可为建立河流穿越管道漏油应急预报系统提供理论畚考。（图10,表1,参10）