三维流体固体动力耦合模型研究

流体固体动力耦合是众多工程领域的重要问题。由于流体与固体动力特性的巨大差异,二者的耦合研究异常困难,尤其是三维领域的研究更加复杂。本文分析了三维流体、固体接触界面上的运动状态,提出并采用流体固体接触界面的无限点对模式,模拟流体固体的动力相互作用。并利用广义变分原理结合Lagrangian乘子法,引入流体固体接触面约束条件,建立了三维不可压缩流体与固体动力耦合统一分析的理论模型,继而推导了耦合后的动力有限元求解方程,首次将流体与固体动力耦合内力作为未知量求解,使耦合后的流体与固体域的瞬态动力响应从同一方程中解出。经典算例较高的计算精度表明了这种耦合模型的正确性。液体储存箱的地震反应结果表明,固体变形的动力效应是显著的,应引起工程设计的注意。     

三维流体固体动力耦合的有限元法研究

流体固体动力耦合是众多工程领域的重要问题。由于流体与固体动力特性的巨大差异,二者的耦合研究异常困难,尤其是三维领域的研究更加复杂。本文分析了三维流体、固体接触界面上的运动状态,提出并采用流体固体接触界面的无限点对模式,模拟流体固体的动力相互作用。并利用广义变分原理结合Lagrangian乘子法,引入流体固体接触面约束条件,建立了三维不可压缩流体与固体动力耦合统一分析的理论模型,继而推导了耦合后的动力有限元求解方程,首次将流体与固体动力耦合内力作为未知量求解,使耦合后的流体与固体域的瞬态动力响应从同一方程中解出。经典算例结果表明这种耦合模型的正确性,并具有较高的计算精度。液体储存箱的地震反应结果表明,固体变形的动力效应是显著的,应引起工程设计的注意。     

基于流固耦合数值方法的尾水涡带诱发尾水管振动分析

流体域运用切应力输运模型封闭时均化Navier-Stokes方程,固体域采用Newmark方法求解固体振动方程,流体和固体耦合作用面通过运动条件和动力条件考虑流固耦合作用,建立了尾水管-管内湍流流固耦合模型.进行了尾水管内部非定常周期性湍流计箅和尾水管本身涡致振动时程响应计算,并依据结果对尾水涡带和压力脉动的主要性质和尾水管振动特征进行分析.结果表明,建立的分析模型用于计算尾水压力脉动和尾水管振动响应是合理可行的,对于尾水管体形优化设计和水电站厂房结构的振动分析具有积极意义.     

基于FSI系统的(ui,p)格式大型渡槽动力分析

 槽体固体以位移为基本未知量,槽内水体以流场压力p为基本未知量,用能量变分原理推导了流固耦合(FSI)系流有限元分析的(ui,p)格式,给出流固耦合系统的动力特性方程,并基于FSI系统的(ui,p)格式建立渡槽槽体-水体-槽墩-基础-地基系统的力学模型,采用非对称模态提取法求解了渡槽的动力特性,并用隐式-显式积分算法计算了强震作用下大型渡槽的动力响应。计算结果表明,基于(ui,p)格式的流固耦合系统有限元分析的格式,考虑到槽体与水体的相互作用,简化了计算模型,提高了计算精度,同时也得出不同过水量下槽体结构动力特性和动力响应的变化规律等结论。     

排架式渡槽流一固耦合动力特性分析

本文分析了排架式渡槽横向流一固耦合动力特性，计算结果表明排架式渡槽流一固耦合系统的模态可分为两类一类为“流体振荡模态”，以流体的晃动为主，反映了流体固有晃动模态在耦合系统中的影响；另一类为“结构振荡模态”，以结构的振动为主，反映了结构固有振动模态在耦合系统中的影响．提出了两种特征值问题的计算方法，将其应用于实例计算，讨论了两种方法的优缺点．     

势流体与N-S流体的应用及比较研究

随着我国西部输水工程的发展,流-固耦合模型的抗震分析问题日益严重。对于流-固耦合模型,若可以认为流体是无粘、无漩、无热转换、微可压缩流体,且流体域的边界运动很小,则选择基于势的亚音速公式计算更有效,因为这种流体建模仅仅包括一个节点未知量-速度势,否则要用基于N-S流体的流-固耦合公式进行计算。通过实例验证这两种流-固耦合模型的应用范围和有效性。计算结果显示：在满足基于势的亚音速公式假定情况下,选用势流体和选用N-S流体,其计算结果一致,且与基于N-S方程的模型相比,选择基于势的亚音速公式更有效。     

排架式渡槽流 固耦合动力特性分析

本文分析了排架式渡槽横向流 固耦合动力特性，计算结果表明：排架式渡槽流 固耦合系统的模态可分为两类：一类为“流体振荡模态”，以流体的晃动为主，反映了流体固有晃动模态在耦合系统中的影响；另一类为“结构振荡模态”，以结构的振动为主，反映了结构固有振动模态在耦合系统中的影响。提出了两种特征值问题的计算方法，将其应用于实例计算，讨论了两种方法的优缺点。     

压电微流体泵液-固耦合系统流动特性

该文采用厚度积分平均的浅水模型和有限元法,得到压电微流体泵液体-硅振动片动力耦合振动方程。液-固耦合系统的模态分析给出硅片一阶模态自然频率和振型,以及硅片振幅-频率关系曲线。在模态分析基础上,加入压电效应,计算压电-硅片在外加电场作用下的振动响应。文中采用有限体积法计算微流体泵周期流动,得到微泵流量-频率的特征曲线,以及泵腔周期流动规特征。数值结果表明,在给定外加电压时,可以确定一个使微泵流量最大的工作频率。     

大型矩型水工渡槽三维流固耦合动力分析

建立了流固耦合(FSI)系统的位移一压力(ui,p)有限元格式,给出流固耦合系统的动力特性方程;并基于FSI系统的(ui,P)格式建立槽体-水体-槽墩-基础-地基系统的力学模型,采用非对称模态提取法求解了4种水深下渡槽的动力特性,计算了4种水深、2种强震作用下大型渡槽的动力响应,得到了不同水深、不同激励下渡槽结构动力特性和动力响应的变化规律.计算结果表明,基于FSI的(ui,p)格式,考虑了槽体与水体的相互作用,简化了计算模型,提高了计算精度.     

大型泵站的流固耦合振动分析

针对目前泵站和水电站动力时程分析中存在的不足,在有限元框架内建立泵站非定常湍流与结构相互作用的流固耦合模型,采用有限元格式对流体和结构进行离散,使用滑移网格技术实现流道内的动静干扰,并在流体和固体的交界面上采用合适的界面条件来实现流体和固体之间的能量传递。采用此方法对大型泵站单流道进行流固耦合振动分析,预测出结构各个部位的振动响应,为泵站工程抗振设计提供参考。     

饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型

将基于多孔介质的有效应力原理引入流固耦合渗流中，并根据平衡条件得出了应力场方程；充分分析流固耦合渗流的物理特性，建立起孔隙度和渗透率动态模型；依据流体力学连续性方程，考虑流固耦合情形下多孔介质骨架变形特性和流体的可压缩性，得到了孔隙流体的连续性方程，即渗流场方程。在以上诸方程的基础上辅助以定解条件，建立起了完备的饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型。本文还对模型进行了简化分析，并与经典一维固结理论作定性对比，分析表明，经典的固结理论可认为是本文模型的一种简化。进一步的算例求解和验证工作正在进行中。     

不同地震波作用方向的大型渡槽动力响应分析

以南水北调中线工程中某大型渡槽结构为研究对象,采用ADINA软件中的势流体单元研究考虑流固耦合作用下渡槽结构的动力响应规律。本文对渡槽结构在顺槽向、双向和三向地震波作用下的动力响应分别进行了仿真研究。并分析了附加质量法和ADINA完全流固耦合法在计算流固耦合问题上的异同,及多维地震波对结构动力响应的影响。结果表明:水深及地震作用方向对渡槽结构的动力响应影响较大,且应在双向地震波作用下来研究结构的动力响应问题。     

流固耦合对水击波速的影响

针对经典水击理论忽略流体和管道动态耦合对水击波速的影响,推导出考虑流体-结构相互作用下流体连续方程,有效地计入了管道流速,研究出管道结构动态特性对水击流速的影响以及对轴向应力波波速的影响,并据此得出流固耦合作用使得水击流速值低于经典值的结论。     

水力式升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析

为了探究水力式升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应规律,基于ADINA有限元分析软件,建立了三维水力式升船机塔柱结构耦联体系概化模型,探究了竖井内水深、承船厢所处位置以及流固耦合作用等因素对塔柱结构耦联体系地震动响应的影响规律,提出了水力式升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析方法,并结合景洪水电站工程实例,...     

基于ADINA的重力坝地震响应分析

针对云南某重力坝，利用大型有限元软件ADINA分别基于流固耦合理论和Westergaard附加质量方法建立了数值分析模型，对其自震频率和地震响应进行了分析。结果表明，两种模型的自震频率比较接近，附加质量模型的地震响应要大于流固耦合模型。因此，在重力坝抗震研究中，采用较简单的附加质量模型代替复杂的流固耦合模型考虑水体的影响是偏于安全的，适用于重力坝结构抗震的定性分析。     

Vibration analysis of hydropower house based on fluid-structure coupling numerical method

By using the shear stress transport(SST)model to predict the effect of random flow motion in a fluid zone,and using the Newmark method to solve the oscillation equations in a solid zone,a coupling model of the powerhouse and its tube water was developed.The effects of fluid-structure interaction are considered through the kinematic and dynamic conditions applied to the fluid-structure interfaces(FSI).Numerical simulation of turbulent flow through the whole flow passage of the powerhouse and concrete structure vibration analysis in the time domain were carried out with the model.Considering the effect of coupling the turbulence and the powerhouse structure,the time history response of both turbulent flows through the whole flow passage and powerhouse structure vibration were generated.Concrete structure vibration analysis shows that the displacement,velocity,and acceleration of the dynamo floor respond dramatically to pressure fluctuations in the flow passage.Furthermore,the spectrum analysis suggests that pressure fluctuation originating from the static and dynamic disturbances of hydraulic turbine blades in the flow passage is one of the most important vibration sources.     

Housner模型在渡槽抗震计算中的适用性

重点研究了Housner水体简化模型在渡槽抗震领域的适用性，分别采用Housner水体简化模型和作者建立的流体固体动力耦合水体统一模型进行了实际渡槽的地震反应分析，数值分析结果表明，Housner模型与后者相比，特别是柔性墩体结构反应结果偏小，差异比较明显。     

复杂地质条件下大型箱型倒虹吸动力响应研究

针对大型倒虹吸在复杂地质条件下的动响应问题,建立了考虑流固耦合作用的倒虹吸结构动力分析有限元模型.基于时程分析方法,对不同土层分布下结构的动应力及动位移进行分析.计算得出各地质条件下的动力响应分布规律,并表明通过换填土可以改善结构动力性能.     

SPH modeling of fluid-structure interaction

This work concerns numerical modeling of fluid-structure interaction(FSI) problems in a uniform smoothed particle hydrodynamics(SPH) framework. It combines a transport-velocity SPH scheme, advancing fluid motions, with a total Lagrangian SPH formulation dealing with the structure deformations. Since both fluid and solid governing equations are solved in SPH framework, while coupling becomes straightforward, the momentum conservation of the FSI system is satisfied strictly. A well-known FSI benchmark test case has been performed to validate the modeling and to demonstrate its potential.