基于格子Boltzmann方法的饱和土体细观渗流场

根据土体的孔隙率,采用随机配置的方法建立了二维土体孔隙结构.基于格子Boltzmann方法(LBE方法),通过设置入口、出口边界为非平衡态外推格式、左右边界及土颗粒边界为标准反弹格式的边界条件,建立了模拟饱和土体渗流的二维模型.编制了相应Matlab计算程序,模拟了在一定孔隙率的土体中,当恒定流速入渗时,土体渗流场的分布情况并探讨了渗流流速的变化规律.研究结果表明:在渗流过程中,土体流速的分布情况在整个渗流区域内较为均匀,且在孔隙连通性好、孔隙较大的区域流速较快.土体孔隙率越大,土体的渗流速度越大,且在渗流场内绝大部分孔隙格点的流速小于入口处的流速.当孔隙率恒定时,入口流速越大,渗流场内孔隙格点上流速分布的离散性越大.因此,LBE方法可以有效地模拟土体的渗流情况,为进一步研究土体渗流机理提供了一种新的研究手段.     

基于格子Boltzmann方法的三维溃坝数值模拟

为了模拟溃坝水流的流动过程,在基于格子Boltzmann方法(LBM)的基础上采用壁面适应局部涡流黏度的大涡模拟模型,引入自由滑移法处理固壁边界条件,模拟瞬时全溃坝以及瞬时局部溃坝水流的流动过程,并就瞬时全溃坝时两种消能坎的消能效果进行比较.数值模拟结果表明:基于LBM方法的数值模拟方法可以准确模拟瞬时全溃坝水流演进过...     

坡面流格子Boltzmann方法与Preissmann隐式差分法模拟

以D1Q5速度模型为例,时间多尺度分析为手段通过待定系数法来确定平衡态分布函数,将格子Boltzmann方法应用于坡面流运动方程;通过理想算例,以解析解为标准,比较了格子Boltzmann方法与应用广泛的Preissmann4点隐式差分法的计算精度。研究表明,对于模拟坡脚断面水深和单宽流量过程,格子Boltzmann方法的D1Q5模型的计算精度高于Preissmann 4点隐式差分法,尤其在退水阶段。对于达到平衡时间之前的坡面水深和坡面单宽流量,格子Boltzmann方法的D1Q5模型的计算精度也高于Preissmann 4点隐式差分法。但对于达到平衡时间之后的坡面水深和坡面单宽流量,格子Boltzmann方法的D1Q5模型在x=1 m点上出现了较大的相对误差,计算精度逊于Preissmann 4点隐式差分法。将格子Boltzmann方法应用于坡面流运动时,弛豫时间选择范围以[1,1.2]s为宜。     

基于四参数随机生长法重构土体的渗流细观数值模拟

基于四参数随机生长法(QSGS),根据土体孔隙率,重构土体微观结构.通过格子Boltzmann方法,左右采用不透水边界,上下边界采用非平衡外推格式,颗粒之间的碰撞采用标准反弹格式,建立饱和土体渗流模型,并让恒定流速的水渗入模型.结合算例,推导了宏观物理单位与格子单位之间的转换关系,编制相关Matlab程序,并且进行运算分析,探讨在计算机模拟情况下的微观土体结构中水的渗流变化规律.结果表明:根据QSGS方法所重构的土体生成过程与自然环境下多孔介质的生成过程类似,重构土体性状各异,连通性和结构与实际土体类似;在连通性良好的前提下,土体中水的渗流速度与孔隙率大小有关;同一土体中渗流通道越小的位置水的渗流速度越小,渗流通道越大的位置渗流速度越大;在相同孔隙率条件下,大颗粒土的平均渗流速度比小颗粒土的平均渗流速度大,而小颗粒土的渗流更为稳定.     

基于Matlab的水田平地机运动学模型数值解求解

利用Matlab提供的数学函数ode45,对基于水田平地机调平系统运动学模型的方程组,以正弦输入电流为例,进行数值解求解,得到平地机平地铲倾角、角速度、扭簧扭转角度等状态变量与输入电流的数值关系。该方法可以准确地求解数值解,且能方便分析方程组中任意变量与已知变量的关系。该方法对于其他多输入多输出的农机具机械液压系统运动学模型的数值解求解与特性分析具有借鉴意义。     

一维圣维南方程差分数值算法中稀疏矩阵求解方法比较及优选研究

【目的】寻找高效、稳定的大型稀疏线性方程组求解算法以提高圣维南方程组求解速度。【方法】归纳了4种基于四点偏心格式的圣维南方程组求解算法并加以改进,并通过仿真试验,对比了不同算法的计算效率。【结果】计算断面数较少时(小于500),所有方法的运算时间基本一致;当计算断面数较大时(大于500),4种算法的速度较传统算法有了一定的提高,在计算断面数为1520时,4种算法的计算速度是传统算法的4倍,在计算断面数为3040时,计算速度更是达到了10倍以上。【结论】改进后的高斯消元法和PM算法在计算断面数较大时计算速度较快,计算效率较高。该方法可应用于MPC控制、LQR控制等渠系自动化控制技术中,以提高仿真程序运算速度。     

基于JPDF方法的喷雾湍流燃烧数值模拟

将速度-标量-频率联合概率密度函数JPDF输运方程方法应用于两相喷雾湍流反应流问题,利用火焰面模型解耦流动和化学反应动力学的耦合关系,建立相应的数值计算模型.采用Monte-Carlo数值计算方法,针对文献中以甲醇为燃料所进行的湍流喷雾燃烧值班火焰这一试验进行了数值模拟,通过与Fluent下的计算结果及试验结果的对比分析,验证了所建模型的准确性.     

基于U-ABL理论屋顶风力机微观选址数值方法

针对国际能源署Task27项目子课题——复杂城市建筑环境屋顶风力机微观选址数值分析方法研究,引入了较传统指数分布更精确、更适宜城市建筑环境的城市大气边界层(U-ABL)理论,探索性提出一种基于城市大气边界层内建筑屋顶风湍流特性分析的屋顶风力机微观选址的数值研究分析新方法.建立了呼和浩特南郊某建筑模型及适宜当地的相关入流函数;计算、分析了建筑屋顶各参考分析点的湍流强度、风加速因子、湍流厚度及理想功率增大因子等湍流特性参数随高度的变化规律;确定了屋顶选定水平轴风力机最佳安装位置为建筑前沿点、最佳安装高度约为1.50倍建筑高度;该实例验证了所提新方法的可行性,能为城市环境风湍流特征分析提供理论依据及新思路,亦对建筑屋顶风力机的微观选址具有理论和工程应用价值.     

基于CFD数值模拟方法的日光温室建模研究

随着计算机软件技术的发展,CFD计算流体数值仿真模拟被广泛地应用到实际工程中,但是在农业方面的应用还比较少。CFD通过建模和数值仿真模拟可以对真实环境的尺寸以及外形进行数值建模,能够模拟真实环境的温度、压力以及速度场等参数,并将模拟结果进行二维和三维立体呈现。运用CFD数值模拟技术,以温室的生长环境为例,对温室通风前后的温度以及湿度情况进行了数值模拟仿真。通过计算发现温室最高温度由通风前的307K降低到了304K,有了明显的改变,验证了数值模拟计算机的准确性。通过对湿度的CFD数值模拟仿真发现,进行通风之后气体流动性比较好,没有出现热空气的集聚现象,非常有利于农作物的生长,从而为日光温室农作物生长环境的研究提供了理论参考。     

基于数值分析的机床丝杠螺母选型方法研究

【目的】传统的机床丝杠螺母模型仅有几何信息,且在进行丝杠选型时,需要根据设计要求,手动逐个选择丝杠螺母组件各个零件;在进行整机装配时其装配关系均需手动添加,操作烦琐复杂且容易出错;进行机床有限元分析时,需要设置大量分析参数,如材料属性、结合面参数等。设计人员要花费大量的时间在简单的重复工作上,造成设计资源的浪费,且对机床结构选型、设计和有限元分析的效率和稳定性影响很大。【方法】研究小组建立了一套内部自动关联、支持整机自动化装配和快速有限元分析的丝杠螺母组件数据库。根据设计要求和约束,实现了丝杠螺母组件的快速选型和建模,形成了丝杠螺母组件装配模型,提高了设计效率和自动化程度,实现其对偶结构大件对应特征/位置的快速建模,且支持整机的自动化装配,并在丝杠螺母副中添加了用于有限元分析的动力学参数,可提高有限元分析速度和分析质量。【结果】数据库可用于机床设计中的丝杠螺母的快速选型、整机装配和有限元分析。     

基于JPDF方法的喷雾湍流燃烧数值模拟

将速度-标量-频率联合概率密度函数JPDF输运方程方法应用于两相喷雾湍流反应流问题,利用火焰面模型解耦流动和化学反应动力学的耦合关系,建立相应的数值计算模型。采用Monte-Carlo数值计算方法,针对文献中以甲醇为燃料所进行的湍流喷雾燃烧值班火焰这一试验进行了数值模拟,通过与Fluent下的计算结果及试验结果的对比分析,验证了所建模型的准确性。     

基于U-ABL理论屋顶风力机微观选址数值方法探究

针对国际能源署Task27项目子课题——复杂城市建筑环境屋顶风力机微观选址数值分析方法研究,引入了较传统指数分布更精确、更适宜城市建筑环境的城市大气边界层(U-ABL)理论,探索性提出一种基于城市大气边界层内建筑屋顶风湍流特性分析的屋顶风力机微观选址的数值研究分析新方法.建立了呼和浩特南郊某建筑模型及适宜当地的相关入流函数;计算、分析了建筑屋顶各参考分析点的湍流强度、风加速因子、湍流厚度及理想功率增大因子等湍流特性参数随高度的变化规律;确定了屋顶选定水平轴风力机最佳安装位置为建筑前沿点、最佳安装高度约为1.50倍建筑高度;该实例验证了所提新方法的可行性,能为城市环境风湍流特征分析提供理论依据及新思路,亦对建筑屋顶风力机的微观选址具有理论和工程应用价值.     

基于Kriging插值方法改善地下水数值模型的精度

为了建立更符合研究区的地下水数值模型,提升模型的计算精度,提高水资源的管理水平。采用Kriging插值和地统计分析的方法对研究区现有的地下水监测网进行优化,分析了地下水监测站网优化前后所建立地下水数值模型的计算精度。结果表明,监测站网标准差由优化前的0.2~2.7变为优化后的0.5~0.8,整体标准差显著减小;优化后的监测站网所建立的地下水数值模型的精度优于利用原有的监测站网所建立的模型,更有助于模型的后续计算。     

基于静力隐式方法的板料成形过程数值模拟

介绍了板料成形静力隐式弹塑性有限元数值模拟的基本理论和接触界面数值模拟技术以及增量过程应力计算的回映技术。基于这些方法开发了静力隐式程序，对球形模具拉伸成形过程进行了数值模拟，计算结果与文献[8]的计算结果吻合很好，文中给出了板料圆柱形模具成形回弹的数值分析结果。     

基于CPF-EKF算法的大载荷植保无人机姿态解算方法

为了解决传统人工喷洒农药的不足,更高效地进行病虫害的防治,设计了基于八轴十六旋翼无人机的农药喷洒系统,实现了农药的机载喷洒功能。使用共轴双桨和旋翼模块的倾斜配置,对八轴多旋翼无人机进行结构改进,提高了系统的安全性与可靠性。整个系统满载10 kg,喷洒飞行速度可到达5 m/s,飞行时间超过10 min。针对传统扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman filter,EKF)姿态解算方法无法满足大载荷无人机强振动条件下的工作要求,导致姿态角解算精度不高,并且容易导致姿态角发散的问题,提出了基于20维状态量的CPF-EKF算法,额外引入了陀螺仪、加速度计和磁力计偏置误差作为状态量,使三轴姿态角的最优估计值更加准确,并且引入互补滤波(Complement filter,CPF)检测模块,当检测到EKF有发散趋势时,对EKF进行复位,从而简单高效地避免了EKF发散。采用实际飞行数据对算法进行验证,静态试验表明,该算法滚转角和俯仰角精度为±0.05°,偏航角精度为±0.2°。动态试验中以MTi传感器输出为参考,CPF-EKF在姿态解算过程中出现复位,三轴姿态角准确跟踪并未发散,并且动态精度与MTi相当,滚转角、俯仰角精度为±0.1°,偏航角精度为±0.5°,并且算法具有良好的实时性,证明了该算法的有效性。     

基于ALE方法淹没条件下水射流破土数值模拟与试验

针对目前水射流破土研究中缺少对非淹没与淹没条件下整体冲击、破坏过程差异分析的问题,采用ALE算法对水射流破土进行流固耦合数值计算建模并分析淹没条件及非淹没条件下冲坑演化差异。通过ANSYS/LS-DYNA有限元数值模拟与联合PFV软件的高速摄像机试验进行对比验证仿真模型的有效性,探究淹没条件及非淹没两种射流状态破土成坑过程差异及土体内部应力分布瞬时信息。研究结果表明:冲蚀体积相同时,淹没条件下射流对靶目标刺激更小;相同工况、淹没射流破土到达稳定坑形时,淹没射流冲坑深度为非淹没射流冲坑深度的33.8%,淹没射流冲坑径宽为非淹没射流径宽的71.4%。研究结果可为水射流破土冲挖现场应用提供参考依据。     

基于CFD的多扎管热风数值模拟与设计方法

针对目前温室热风采暖效率较低的现状,提出将多孔管应用于温室热风采暖的设计方法．利用Pro／E软件完成多孔管造型,应用Fluent6．2软件并设置三维雷诺平均Navier—Stokes方程、RNG k-ε紊流模型和SIMPLEC算法对多孔管内部流场进行了数值模拟．采用二分法搜索原理、数值传热学理论、流体力学和逆递推法对多孔管热风采暖进行设计计算,并运用VB6．0软件对其进行编程计算,得到了多孔管滴灌器的流态指数为0．507,性能良好;当设定进、出口压力分别为10,0kPa,进、出口温度分别为300,278K,边界壁面传热系数为0．055时,多孔管各出风孔口温度值几乎不变,压力值沿多孔管产生压降,约为200Pa．设计方法所得结果比数值模拟结果略高,各出风孔口处压力值和温度值的设计曲线和模拟曲线趋势一致,且压力值和温度值的均匀系数均大于0．8,满足多孔管热风流动均匀性的要求．     

基于CEL方法的异种合金搅拌摩擦搭接焊数值模拟

基于耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法,建立铝-镁异种合金搅拌摩擦搭接焊（FSLW）的数值模型,分析了等效塑性应变分布特点和焊接缺陷的形成。结果表明,焊缝表面的等效塑性应变明显高于搭接面,且焊缝两侧的等效塑性应变分布明显不对称。增大转速可提高等效塑性应变。当转速从1 400 r/min增大为1 600 r/min时,搭接面的等效塑性应变整体增幅不大,此时增大转速对塑性变形影响较小,但前进侧等效塑性应变明显高于后退侧。在转速1 000 r/min条件下,通过数值模拟发现,搭接面前进侧出现孔洞缺陷;转速分别为800 r/min和1 400 r/min条件下,通过数值模拟分析了焊缝表面飞边的特点,并通过试验验证了孔洞和飞边。在搭接量60 mm、转速1 400 r/min、焊速120 mm/min的条件下,能够观察到在焊核区中心存在等轴晶粒以及2种材料结合面处的沿晶粒生长方向的柱状晶。     

基于动网格与UDF方法的稳流器流场数值模拟研究

基于动态网格技术及UDF(用户自定义函数)方法,对某稳流器流道内流场进行数值模拟,得到流量、水头损失和上下游压差力等参数之间变化的关系,并与物理模型试验的结果进行对比.结果表明,数值模拟所得结果与模型试验基本吻合,从而验证了数学模型的可靠性和精度,并得到适应于该稳流器的动网格数学模型,从而为稳流器结构的后续优化提供理论依据.