Статьи журнала - Вычислительная механика сплошных сред
Все статьи: 703
Статья научная
Задача рассматривается в трехмерной постановке на основе метода моделирования крупных вихрей для однородного лесного полога. Развитие неустойчивости Кельвина-Гельмгольца над лесным пологом приводит к формированию в атмосферном течении когерентных структур, которые воспроизводятся в расчетах. Извлекаемые из численного моделирования, статистические характеристики течения сопоставляются с результатами экспериментов. Процесс переноса пассивной примеси из лесного полога в незагрязненную атмосферу изучается для двух ситуаций: постоянной и переменной связанной концентрации примеси в лесном пологе.
Бесплатно
Статья научная
Изучается поведение пространственных конечно-амплитудных возмущений адвективного течения, возникающих при значениях числа Марангони выше критического в слабо вращающемся слое несжимаемой жидкости со свободными недеформируемыми границами в условиях микрогравитации. На границах имеет место теплоотдача по закону Ньютона, а вблизи границ температура среды является линейной функцией координат. Исследование проводится на основе уравнений конвекции в приближении Буссинеска во вращающейся системе отсчета в декартовой системе координат O xyz. Ось вращения совпадает с вертикальной осью O z. Рассматривается два предельных случая: пространственные возмущения в виде валов с осью, перпендикулярной оси O x, и пространственные возмущения другого типа - в виде валов с осью, параллельной оси O x. При наличии вращения в течении имеются все три компоненты скорости, каждая из которых зависит от времени и двух пространственных координат: x и z или y и z. Характер конечно-амплитудных возмущений, возникающих во вращающемся слое жидкости, исследуется численно методом сеток (двухполевым методом)...
Бесплатно
Статья научная
На основе трехмерной модели конвекции построена новая квазидвумерная модель распространения примеси от мощного теплового источника (на примере возгорания нефти) с учетом неоднородности турбулентной диффузии над источником и вне его. На основе метода параметризации мелкомасштабной турбулентности определены граничные условия и коэффициенты модели. Представлены результаты численных расчетов, показавшие, что вследствие линейного и нелинейного воздействия неоднородного горизонтального градиента температуры вблизи теплового факела в нижней атмосфере формируется мощное вихревое движение над местом возгорания нефти. Показано, что характеристики вихрей и их число определяются величиной коэффициентов турбулентного обмена вне источника и над источником тепла, а также что формируемое поле ветра существенно влияет на характер распространения примеси в окрестности источника.
Бесплатно
Численное моделирование механоэлектрической обратной связи в деформированном миокарде
Статья научная
Механоэлектрическая обратная связь проявляется в изменении проводимости миокарда и в возникновении дополнительных трансмембранных токов, связанных с активируемыми деформацией ионными каналами. Вывод соотношений деформация-проводимость осуществлялся на основе анализа микроструктурной модели с помощью метода гомогенизации. Сердечная ткань рассматривалась как периодическая решетка, где клетки являются прямоугольными призмами, заполненными изотропным электролитом. Проводимость щелевых соединений учитывалась через граничные условия на сторонах этих призм и считалась постоянной. Показано, что тензор, обратный тензору проводимости миокарда, может быть представлен в виде суммы обратных приведенных тензоров проводимости миоплазмы и щелевых соединений. Проведено сравнение результатов по выбранной модели и по модели из книги F.B. Sachse. Computational Cardiology: Springer, 2004. Для продольной проводимости обе модели хорошо согласуются для относительных удлинений в интервале от 0,8 до 1,2...
Бесплатно
Численное моделирование накопления повреждений и развития усталостной трещины в упругих материалах
Статья научная
Построена конечно-элементная (КЭ) процедура для моделирования накопления повреждений во взаимосвязи с развитием усталостных трещин. В процедуре используется новая структура КЭ-сетки, которая позволяет моделировать накопление повреждений и усталостный рост трещины на фиксированной сетке. Топология предложенной КЭ сетки дает возможность сохранять информацию о накопленном уровне поврежденности и обеспечивать «естественность» траектории распространения трещины, что весьма трудоемко при использовании стандартных КЭ-процедур. С помощью данной сетки исследуется усталостное поведение под действием циклической нагрузки тонкой прямоугольной пластины со случайным образом распределенными начальными дефектами. Дефекты в материале моделируются как элементы с малой жесткостью. Усталостные свойства описываются формулой Баскена. Представлены траектории распространения усталостных трещин и накопленное повреждение в материале для различных значений числа нагружений и направления приложения нагрузки.
Бесплатно
Численное моделирование накопления повреждений при сложном пластическом деформировании
Статья научная
С позиции механики повреждённой среды (МПС) развита математическая модель, описывающая процессы накопления усталостных повреждений в конструкционных материалах (металлах и их сплавах) при многоосных непропорциональных путях комбинированного термосилового нагружения. В целях качественной и количественной оценки развитых определяющих соотношений проведено исследование вида траектории деформирования на усталостную долговечность металлов. Показано, что развитый вариант определяющих соотношений МПС правильно (качественно и количественно) отражает основные эффекты упругопластического деформирования и накопление повреждений в конструкционных материалах при произвольных траекториях деформирования.
Бесплатно
Численное моделирование нелинейных процессов накопления повреждений при циклических нагружениях
Статья научная
Рассматриваются основные положения и уравнения прикладного варианта теории упругопластических процессов и кинетическое уравнение накопления повреждений. Система дифференциальных уравнений, разрешенных относительно первых производных, вместе с тривиальными начальными условиями численно решается методом Рунге-Кутты четвертого порядка точности. Анализируются нелинейные процессы накопления повреждений как при стационарных (регулярных, одноблочных), так и при нестационарных (нерегулярных, многоблочных) циклических нагружениях в условиях одноосного жесткого нагружения. Иллюстрируется существенное отклонение от правила линейного суммирования повреждений. Рассматривается малоцикловая усталость при сложном циклическом нагружении по траектории деформаций в виде окружности. Показывается, что такая траектория обладает наибольшим повреждающим эффектом. Все расчетные данные сравниваются с результатами экспериментальных исследований; наблюдается их удовлетворительное соответствие.
Бесплатно
Статья научная
Предложена математическая модель, описывающая динамику неравновесного тепломассопереноса в технологическом процессе магнийтермического восстановления титана из его тетрахлорида. Для осесимметричной расчётной области в двухслойной системе, имеющей проницаемую границу между расплавом магния и пористым титаном, представлена постановка краевой задачи в переменных температура–завихренность–функция тока. Описан алгоритм вычислительного эксперимента. Приводятся результаты численного моделирования – поля температур, функции тока, давлений, с учетом сопряженных процессов на границе расплава магния с блоком титана.
Бесплатно
Статья научная
В рамках осредненного подхода численно исследовано нестационарное поведение в невесомости стратифицированной жидкости с помещенным в нее твердым телом. Жидкость и тело находятся в замкнутой полости и испытывают высокочастотные поступательные вибрации. Показано, что система стремится к состоянию квазиравновесия, в котором поля градиента плотности жидкости и градиента пульсационной скорости подобны друг другу. Выяснено, что при наличии диффузии в зависимости от значений коэффициента диффузии вибрационного параметра возможны три различных режима установления квазиравновесия.
Бесплатно
Численное моделирование обтекания газовым потоком колеблющейся лопатки
Статья научная
Представлено численное решение задачи об обтекании газовым потоком плоской решетки колеблющихся лопаток. Расчет проводится в среде ANSYS CFX. Для учета перемещения поверхностей лопаток используется подвижная сетка, генерируемая перед началом расчета на каждом шаге по времени. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных. Результаты расчетов использованы для определения устойчивости лопаток к флаттеру.
Бесплатно
Статья научная
В условиях расширения крупнотоннажного химического производства, и в первую очередь, минеральных удобрений, возникает необходимость в создании дополнительных схем отведения избыточных рассолов в поверхностные водные объекты. Задача осложняется тем, что «тяжелые» рассолы из-за подавления вертикальных турбулентных пульсаций могут распространяться в придонной области на значительные расстояния без заметного снижения своей концентрации. В данной работе на основе численного моделирования разработаны рекомендации по оптимизации конструкции выпускных сооружений, предназначенных для сброса отработанных сточных вод, содержащих тяжелые примеси. Исходя из результатов расчетов в рамках трехмерной постановки задачи при различных условиях сброса отработанных вод сделан вывод о том, что наиболее эффективными являются сооружения, предусматривающие расположение выпускных устройств вблизи поверхности водоема. Однако они имеют сложную структуру, и их трудно реализовать на рассматриваем водохранилище...
Бесплатно
Статья научная
Разработанная ранее статистическая модель твердого тела с мезоскопическими дефектами позволила сформулировать феноменологическую модель в терминах двух независимых переменных - тензора плотности дефектов и параметра структурного скейлинга, провести численное моделирование процесса ударно-волнового нагружения, связав его с механизмами структурной релаксации. Установлена связь нелинейных закономерностей пластического деформирования и разрушения с кинетикой структурно-скейлинговых переходов в области метастабильности неравновесного термодинамического потенциала среды с мезодефектами. Предлагаемая модель позволяет описывать особенности разрушения в условиях откола.
Бесплатно
Статья научная
Проводится анализ точности модели локального взаимодействия (МЛВ) при решении на ее основе задач удара и плоскопараллельного движения конических тел под углом к свободной поверхности полупространства, занимаемого грунтовой средой. Параметры квадратичной по скорости МЛВ определяются из решения задачи расширения сферической полости. При этом среда считается упругопластической, с линейными зависимостями «давление - объемная деформация» и «предел текучести - давление». С помощью компьютерного моделирования задачи в полной трехмерной постановке при действии сил поверхностного трения и с учетом установленных параметров модели находятся силовые и кинематические характеристики проникания конических ударников в грунт (силы сопротивления, скорости и траектории движения центров масс и углы поворота). Получено, что квадратичная по скорости МЛВ, удовлетворительно описывающая инерционное движение конического ударника по нормали к поверхности грунта, применима и для представления начальной стадии наклонного внедрения. Однако при входе ударников в грунт под углом получается несколько большая по сравнению с нормальным ударом погрешность в вычислении как силовых, так и кинематических характеристик, что обусловлено, по мнению авторов, исходными ошибками в задании нормального напряжения в используемых МЛВ и законе трения Кулона. Учет кулоновского трения приводит к увеличению максимального угла поворота ударника по сравнению с расчетами без сил трения, и МЛВ качественно описывает эту тенденцию.
Бесплатно
Численное моделирование пространственных волновых движений в моментных средах
Статья научная
Разработан вычислительный алгоритм для решения пространственных динамических задач моментной теории упругости Коссера на многопроцессорных вычислительных системах. Проведены расчеты трехмерной задачи Лэмба о действии сосредоточенной нагрузки на поверхности однородного упругого полупространства и задачи о действии сосредоточенной импульсной нагрузки, периодической по времени. Сформулированы условия симметрии, позволяющие многократно уменьшить объем вычислений. Численно обнаружены четыре типа волн - продольные, поперечные, крутильные и вращательные волны, - характерных для моментной упругой среды, а также колебания вращательного движения частиц на фронтах волн. Результаты анализа колебательных процессов показали, что моментная среда обладает собственной частотой акустического резонанса, который проявляется при определенных условиях возмущения и зависит только от инерционных свойств частиц микроструктуры и от параметров упругости материала.
Бесплатно
Статья научная
Разработана численная процедура и на ее основе алгоритм определения напряженно-деформированного состояния (НДС) частей многокомпонентной системы, находящейся под действием динамической нагрузки. Система состоит из упругих твердых тел и несжимаемой ньютоновской жидкости. Эффективность метода проверена на примере процесса разрушения ледяного покрова. Приведены результаты вычислительных экспериментов
Бесплатно
Численное моделирование процессов разрушения тканевых композитов
Статья научная
Предложена математическая модель процесса разрушения тканевых композиционных материалов, основанная на использовании метода асимптотического осреднения и конечно-элементного решения локальных задач на ячейках периодичности. В качестве критерия прочности матрицы используется модифицированная модель Писаренко–Лебедева, а критерия прочности армирующих нитей — двухуровневая модель повреждаемости пучка моноволокон. Модель позволяет прогнозировать процесс распространения микроразрушения в ячейке периодичности композита при изменении действующей на композит системы нагрузок. Приведены численные примеры, демонстрирующие возможности разработанной модели при применении ее к численному исследованию процессов микроразрушения тканевых композитов.
Бесплатно
Статья научная
Предложена и реализована трехуровневая схема расчетов переноса и разбавления высокоминерализованных рассолов в водных объектах. На первом уровне используется одномерная гидродинамическая модель, построенная на основе системы уравнений Сен-Венана и охватывающая всю расчетную область. Результаты, полученные в рамках одномерной модели, используются при задании граничных условий в модели второго уровня, базирующейся на системе уравнений мелкой воды. Численные данные двумерной модели на втором уровне являются достаточными, если в створе начального разбавления не наблюдается значительной плотностной стратификации и допустимо, по условиям задачи, использование гидродинамических характеристик, осредненных по глубине потока. В противном случае необходимо трехмерное рассмотрение задачи. Трехмерное моделирование проведено для участка водного объекта, примыкающего к месту сброса избыточных рассолов. Рассмотрены два варианта расположения выпускного устройства. Установлено, что в случае, когда выпускное устройство находится вблизи дна, наблюдается значительная неоднородность распределения примеси по глубине. Расположение источника примеси вблизи свободной поверхности ведет к лучшему разбавлению рассолов и позволяет уменьшить накопление загрязняющих примесей в придонной области. На основании результатов трехмерных расчетов рекомендовано расположение устройств сброса высокоминерализованных тяжелых рассолов вблизи свободной поверхности.
Бесплатно
Численное моделирование развитой горизонтальной циркуляции в атмосферном пограничном слое
Статья научная
Построена численная модель, описывающая динамику организованных вихревых структур в экмановском пограничном слое атмосферы, учитывающая влияние турбулентной спиральности. Результаты численного моделирования воспроизводят вихри с размерами и периодичностью, близкими к наблюдаемым в эксперименте. Наблюдается также согласование с теоретическими представлениями об ослаблении энергетического каскада в сторону мелкомасштабных мод при наличии спиральности.
Бесплатно
Статья научная
С помощью метода объёма жидкости в приближении осесимметричного закрученного течения исследовано разрушение плёнки керосина в низкоперепадной центробежной топливной форсунке в случае работы авиадвигателя на крейсерском режиме. Моделирование эволюции системы проведено с использованием неосреднённых по Рейнольдсу нестационарных уравнений течения вязкой жидкости на сетках с разным размером ячейки (0,78125; 1,5625; 3,125 и 6,25 мкм); сеточная сходимость достигалась при значении 1,5625 мкм. Выявлено наличие неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, которая приводит к появлению волны на поверхности топливной плёнки. После её срыва с кромки плёнкообразующей поверхности истончение в области ложбины волны приводит к разрыву пленки в этом месте. Выявленный сценарий распада топливной плёнки качественно соответствует одному из режимов, выделенных на основе экспериментальных данных на выходе из низкоперепадной центробежной форсунки при нормальных условиях. Особенность этого режима в рассматриваемой форсунке состоит в том, что часть сгустков керосина, образовавшихся в результате распада плёнки, отбрасывается в радиальном направлении внутрь застойной зоны...
Бесплатно
Статья научная
Моделирование развития пространственных трещин усталости для оценки остаточного ресурса элементов конструкций в настоящее время практически полностью опирается на аппарат линейно-упругой механики разрушения (ЛУМР). При этом, как правило, предполагается, что фронт трещины принципиально не меняет свою форму, что не всегда подтверждается экспериментом. Кроме того, возможности ЛУМР становятся ограниченными при наличии пластической деформации, являющейся главным фактором процесса разрушения. Введение в разрешающие уравнения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) в случае пространственных трещин затруднено из-за изменения напряженного состояния вдоль контура фронта трещины. В работе предлагается подход к моделированию эволюции пространственной трещины усталости, основывающийся на деформационном критерии разрушения и конечно-элементном описании накопления повреждений. Упругопластическое поведение материала представляется обобщенной циклической кривой. Подход позволяет учитывать эффект раскрытия трещины, нелинейный характер накопления повреждений, а также увеличение податливости материала, связанное с развитием его повреждения. Приведен способ определения параметра раскрытия трещины в различных точках фронта в случае трехмерной задачи в предположении, что трещина открывается в тот момент, когда напряжение, перпендикулярное плоскости распространения трещины, становится в точке положительным. Введенная методика апробируется на примере оценки развития полуэллиптической трещины от начального надреза в стальном компактном образце. Для сопоставления исследован рост трещины в рамках ЛУМР. Показано, что при различных начальных надрезах фронт трещины в какой-то момент стабилизируется, поэтому форма начального надреза при рассматриваемом нагружении фактически не влияет на его эволюцию. Результаты, полученные авторами данной работы, хорошо согласуются с известными из литературы экспериментальными данными.
Бесплатно
