一个基于多因素的冷却水管等效换热系数模型

基于热对流、传输微分方程及有限单元法,研究了冷却水流速、管壁粗糙度及导热系数对混凝土与冷却水之间的等效换热系数的影响。在分析各单因素影响的基础上,提出了包含冷却水流速、管壁粗糙度及混凝土导热系数等因素的冷却水管等效换热系数模型,可较好地预测多影响因素条件下混凝土与冷却水间的换热规律。模型表明,等效换热系数与冷却水流速、管壁粗糙度及导热系数均呈幂函数递增关系,其大小取决于多因素耦合效应。相较而言,粗糙度对等效换热系数影响仅在其取值较小时最显著;混凝土导热系数变化的影响较小;冷却水流速的影响介于二者之间。     

大体积混凝土结构温度场冷却水管模拟的叠单元法

水管冷却是大体积混凝土结构重要的温控措施,如何准确模拟其作用是温度场分析中的关键问题之一,由于冷却水管尺寸相对大体积混凝土结构相差较大,其精细模拟是仿真计算的重点。论文提出了大体积混凝土冷却水管模拟的叠单元法。首先,将结构划分为不含冷却水管的整体网格和各冷却水管附近区域的局部网格,整体网格和局部网格相互独立。然后,在局部网格范围内直接采用常规有限元格式,在局部网格的外边界面上设置耦合面,通过热传导方程的协调,实现整体网格与局部网格的耦合。最后,应用本文方法分析了单管和多层弯管的算例,对其计算精度进行了验证。结果表明:叠单元法网格离散简便易行,可兼顾精度与效率,有望应用于工程实际。     

基于扩展多面体单元的DEM-SPH耦合算法及应用

对于颗粒材料与流体介质的动力作用可分别通过离散元方法(Discrete Element Method, DEM)和光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)模拟颗粒和流体,并采用DEM-SPH算法计算两种介质间的耦合作用。当颗粒材料采用多面体单元进行模拟时,颗粒单元与流体之间会形成几何形状复杂的流固耦合界面,不宜采用计算效率较低的传统边界粒子方法。为此,该文基于Minkowski Sum方法构造扩展多面体单元,并通过Hertz接触模型计算单元间的接触力,进而建立基于扩展多面体单元的DEM方法;流体介质采用弱可压缩格式的SPH方法。将几何复杂的流固界面耦合作用近似为排斥力模型,从而只对SPH粒子与固体界面进行几何判断即可确定两者的相互作用力。该方法避免了对大量边界粒子进行的相关计算,具有计算简便且适用于复杂固体边界的优点。该文进一步采用基于GPU的并行算法从而实现DEM和SPH的高性能计算以提高DEM-SPH耦合的计算效率。采用以上方法对方柱绕流和溃坝冲击块体过程进行了数值计算,并与相关试验数值和计算结果进行了对比验证,一致性很好,进而说明了该文建立的DEM-SPH耦合方法对颗粒材料与流体介质相互作用数值模拟的合理性和准确性。     

坝体与库水的流固耦合分析

基于流固耦合分析方法,分别应用势流模式和位移模式2种流体单元模拟库水,并与传统的附加质量方法模拟库水的方法做了比较,结果显示该方法可行;相比附加质量方法,流固耦合方法与理论解更为接近,其中位移模式流体单元对单元形态要求较高。对库水截取区域的敏感性分析表明,流体区域选取3～5倍坝高可以得到较为满意的结果。以重力坝的不同坝顶宽度为例,讨论了需要考虑库水可压缩性的条件,这些成果为后续工作奠定了基础。     

河床式水电站流道水体附加质量 计算方法研究

分别用附加质量法和流体单元法对某水电站厂房结构进行有限元数值模拟,对模型进行模态 计算,以流体单元法得出的计算结果为依据,将进水塔附加质量公式不断修正后计算模态,直到两种 方法所得频率值相差不多且振型相同时为止。结果表明,水塔附加质量公式乘以0. 1 } 0. 2的修正系 数可适用于河床贯流式水电站的流道层。     

基于ADINA流固耦合的进水塔自振特性分析

基于ADINA流固耦合方法,采用基于势的流体单元模拟进水塔内外水体,通过流固耦合界面反应进水塔和水体的相互作用,对结构的自振特性进行数值求解,并与水体按附加质量处理方式的结果对比。低水位下,附加质量法过于保守,周围水体不但显著影响进水塔自振频率,对振型也有较大影响。     

无限元法在无限深透水坝基渗流计算中的应用

针对无限深透水坝基的渗流问题,在传统有限元数值模拟的基础上引入无限单元法,通过数学推导,建立有限元和无限元的耦合模型,即在传统有限元法基础上增加无限单元来模拟无限域渗流问题。以西北干旱区某大坝及坝基为例,对恒定水头作用下半无限深透水坝基进行常规有限元分析及有限元与无限元耦合分析,并将两者的计算结果进行比较,结果表明:两种方法的计算结果相差不大,但有限元和无限元耦合法计算精度可提高15%,更加接近实际情况,并且耦合法计算剖分单元会大大减少,大幅度节省计算时间。     

两种动水压力模型重力坝地震动力损伤比较分析

采用基于位移格式的流体单元与弹塑性损伤本构的固体单元分析了坝体—水库耦合系统在强震下库水对重力坝的动力响应、坝体内部应力分布以及损伤的影响。对流固耦合模型与附加质量模型的坝体损伤分析结果进行比较发现,附加质量模型不仅对上游坝面的动水压力有放大作用,而且对坝体的其他动力响应,如位移、加速度,也有不同程度的放大作用。同时,附加质量模型对地震中坝体内部应力及损伤也有一定的放大作用。可见,流固耦合模型分析大坝—水库系统相互作用更接近现实情况。     

裂隙水流与混凝土开裂相互作用的耦合模型

利用扩展有限元法对裂隙水压作用下混凝土结构的开裂过程进行了模拟,裂纹中的流体运动在立方定理的基础上求解,混凝土开裂力学行为采用了黏聚裂纹模型来描述,采用松散型的耦合方式考虑裂隙水流和开裂结构间的相互作用。推导了在基于虚节点法的扩展有限元法框架下的耦合模型控制方程,通过双层迭代结构进行总体方程求解,对混凝土试件在裂纹水压作用下的开裂过程进行了数值模拟。不同加载速率条件下的计算结果反映的裂纹水压变化规律均与试验相近,结果也说明了扩展有限元法是处理连续-非连续问题的一种有效方法。     

ANSYS在三峡导流底孔封堵温度场分析中的应用

三峡工程泄洪坝段导流底孔将于2006年11月开始回填混凝土进行封堵.研究回填材料的热学和力学性质(包括混凝土的自身膨胀和徐变)、封堵方案、施工顺序、环境温度、通水冷却以及库水位对泄洪坝段的温度场、应力分布和施工缝状态的影响,对保证封堵质量和效果具有十分重要的意义.应用ANSYS 5.5系统软件对三峡工程泄洪坝段导流底孔回填封堵的温度场进行仿真分析,计算模型采用三维热实体单元Solid70离散坝体和封堵体,用三维热-流管单元Fluid116离散冷却水管,并利用三维热表面效应单元Surf152建立混凝土与冷却水管间的对流换热关系.与其他分析方法相比,应用ANSYS能够获得更为精确的分析计算结果.