高精度深海立管涡激振动数值预报

针对深海立管涡激振动问题,提出一种高精度的数值预报方法。基于三维Common-Refinement方法,研究了离散后不可压缩流体与非线性超弹性体的非重叠子区域之间的耦合接触面的空间插值。采用Petrov-Galerkin有限元法离散不可压缩流体,并对大变形弹性结构体使用连续Galerkin有限元法行离散。同时使用任意的Lagrangian-Eulerian(ALE)方法处理流固网格的大幅变形,并且采用全解耦的隐式分区方法去分别求解流体域和结构域。为了去满足两者之间液体和弹性耦合界面间牵引力的平衡条件,系统研究了Common-Refinement方法的空间插值的准确性和可靠性。根据一系列的网格划分方案,对非匹配网格之间的瞬态数据传输做了系统的误差分析,表明了在非匹配网格中非定常流固耦合系统的物理量能够通过Common-Refinement方法进行精确传递。最后将本方法应用深海立管涡激振动问题,并与文献进行了对比。求解结果表明了这种方法在海洋工程流固耦合问题中具有足够的的准确性和可靠性。     

高精度深海立管涡激振动数值预报

针对深海立管涡激振动问题,提出一种高精度的数值预报方法。基于三维Common-Refinement方法,研究了离散后不可压缩流体与非线性超弹性体的非重叠子区域之间的耦合接触面的空间插值。采用Petrov-Galerkin有限元法离散不可压缩流体,并对大变形弹性结构体使用连续Galerkin有限元法行离散。同时使用任意的Lagrangian-Eulerian(ALE)方法处理流固网格的大幅变形,并且采用全解耦的隐式分区方法去分别求解流体域和结构域。基于Common-Refinement方法的空间插值的准确性和可靠性,满足两者之间液体和弹性体耦合界面间牵引力的平衡条件。本方将Common-Refinement方法应用深海立管涡激振动问题,并与文献进行了对比。求解结果表明:本文方法在海洋工程流固耦合问题中具有足够的准确性和可靠性。     

三维薄壁结构与流体相互作用数值模拟

基于通用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)求解器和自编制三维非线性壳体有限元程序,发展一种用于解决三维弹性薄壁结构与粘性流体相互作用问题的数值方法.用CFD求解器Fluent求解粘性流体流动,采用基于三维薄壳非线性理论建立的有限元程序来求解薄壁结构的变形,通过交错方法实现流体和结构的耦合.考察三维非线性壳体有限元程序在解决屈曲和后屈曲问题时的可靠性;通过求解可塌陷直管和粘性流体相互作用问题,检验流固耦合方法的可靠性;研究呼气过程中可塌陷分叉肺管和气流的相互作用问题.重点考察分叉结构中可塌陷管和不同雷诺数流动之间的相互影响.     

移动粒子半隐式法模拟入水冲击流固耦合问题

利用传统的基于网格信息的方法处理大变形自由表面、液面破损、弹性结构变形等问题时,网格会产生严重的扭曲变形,从而导致较大的计算误差甚至计算终止。移动粒子半隐式（MPS）法是一种无网格拉格朗日计算方法,摆脱了计算网格的约束,抛开了网格重构。在计算过程中不会发生网格变形过大或者网格畸变的问题,适用于处理流固耦合交界面等不连续问题.采用统一的MPS粒子将宏观流体和固体按一定的形式离散,解决统一坐标系的协调问题.在利用传统的网格数值方法计算流固耦合问题时,对流固耦合交界面的处理非常繁琐,而利用MPS法则不需要对流固耦合交界面做单独处理,简化了处理程序.运用MPS法对平底结构入水冲击问题进行流固耦合数值模拟。模拟和实验结果的对比表明MPS法可以很好地应用于冲击入水等不连续问题的数值计算.     

基于ANSYS的三维近不可压缩问题的有限元分析

有限元方法是数值求解三维弹性问题的一类重要的离散化方法.在实际工程中,有相当多的材料(如橡胶、塑料等)呈现出近不可压缩(泊松比ν→0.5)的性质,利用常规有限元进行求解时会出现体积闭锁(Locking)现象,需要采用某些特殊的方法.本文基于ANSYS平台系统研究了六面体网格剖分下高阶单元法、减缩积分法及基于u/p格式的混合高阶元法对求解混合边界条件的三维近不可压缩问题的有效性和鲁棒性(robustness).数值结果表明:这三种协调有限元法均能有效地克服三维弹性材料的Locking现象,其中混合高阶元法最为精确,计算所得位移值均随网格尺寸变小而稳定地收敛于理论解.     

弹性结构的非结构网格有限体积数值模拟

为了分析复杂结构动力学以及应力波传播问题提出一种基于非结构化网格有限体积法的弹性结构数值模拟方法,采用位移和广义压力作为原始变量,推导出适用于可压缩和不可压缩弹性体的一致控制方程形式.空间采用有限体积方法和时间项采用二阶欧拉隐式格式离散,通过半隐式预测-校正两步算法(SIMPLE类算法)实现压力和位移耦合求解.最后通过...     

油藏热流固耦合渗流问题的有限元方法

提出了一种有效实用的求解油藏热流固耦合渗流问题的数值计算方法。该方法以有限元法为主，结合有限差分法，用有限元法求解耦合温度场方程和岩石耦合变形方程，用有限差分法求解流体耦合渗流方程，发挥有限元法网格技术和单元划分灵活的特点及处理复杂的油藏边界优势，兼顾了有限差分法在流场分析方面的成熟应用，使复杂的热流固耦合数学模型得以完整求解，取得了单向有限元法或有限差分法难以取得的效果，是一种新型的油藏数值模拟方法。     

机械密封混合摩擦微极流场数值模拟

机械密封混合摩擦求解涉及到弹性变形和流体动力润滑之间多物理量的流固耦合作用,计算难度较大,没有现成的商业软件可直接解决这个问题,因此采用C语言编程计算。考虑微极流体效应构建了混合摩擦的力学和数学模型,并利用有限差分法进行数值求解,获得了不同微极参数下内部流场的压力分布及机械密封泄漏量数值。计算结果表明,微极参数耦合数和特征长度的增加将使液膜的压力增大,从而减小内外压差使泄漏量下降,保证了密封的可靠性。     

光滑点插值法应用于流固耦合的比较研究

针对传统有限元法（FEM）固体模型刚度过硬导致低阶单元求解精度较低的问题,采用光滑点插值方法（S-PIM）. S-PIM得益于梯度光滑技术能软化固体模型刚度,基于容易剖分的线性背景网格能改善固体求解精度. 采用不同的光滑域构建方式可以得到不同的固体求解器,从而在不同程度上提高计算精度. 本研究以浸没光滑点插值法（IS-PIM）为基础,在流固耦合（FSI）模型中采用较成熟的半隐式特征分离法（CBS）作为流体求解器,分别采用有限元法、边基光滑点插值方法（ES-PIM）以及点基局部光滑点插值方法（NPS-PIM）作为固体求解器,比较不同固体求解器条件下的计算精度和效率. 结果表明,与边基光滑点插值方法和有限元法相比,在流固耦合模型中采用点基局部光滑点插值法可以得到更准确的固体模型刚度,也更有利于计算精度和计算效率的提高.     

应力刚化及流体压缩性对混流式水轮机叶片动力特性的影响分析

根据几何非线性问题中的有限变形理论,考虑水体的压缩性用有限元法的位移-压力格式及Galerkin法对混流式水轮机叶片-流体组成的流固耦合系统进行离散,建立了考虑应力刚化影响的转轮叶片流固耦合系统的振动控制方程,并用考虑初应力刚度的有限元法分别对整体转轮叶片及单叶片的耦合模态进行了大量计算,详细分析了旋转离心力和水压力以及流体密度的变化对叶片动力特性的影响,初步揭示其影响规律．     

充液弹性管束流固耦合系统模态分析

作为一种新型换热元件,弹性管束结构与管内流体构成了一个典型的流固耦合系统.考虑流体的可压缩性,用有限元法的位移－压力格式对管束－流体耦合系统进行离散,建立了系统的振动控制方程.在此基础上分别对管束结构、管内流体和管束－流体耦合系统进行了模态计算.结果表明：由于流体与结构的相互作用,不但弹性管束结构和流体本身的固有频率和振型发生改变,而且一个子系统的振动还会迫使另一子系统产生新的振动模式.不同密度的流体对结构频率改变的影响程度不同.因此,在研究管内充液弹性管束的动态响应时必须考虑流体与管束结构的相互作用影响.     

充液弹性管束流固耦合系统模态分析

作为一种新型换热元件,弹性管束结构与管内流体构成了一个典型的流固耦合系统.考虑流体的可压缩性,用有限元法的位移-压力格式对管束-流体耦合系统进行离散,建立了系统的振动控制方程.在此基础上分别对管束结构、管内流体和管束-流体耦合系统进行了模态计算.结果表明：由于流体与结构的相互作用,不但弹性管束结构和流体本身的固有频率和振型发生改变,而且一个子系统的振动还会迫使另一子系统产生新的振动模式.不同密度的流体对结构频率改变的影响程度不同.因此,在研究管内充液弹性管束的动态响应时必须考虑流体与管束结构的相互作用影响.     

任意欧拉-拉格朗日耦合框架下三维非定态可压缩流体流动的数值模拟

在欧拉与拉格朗日耦合的框架下,利用有限体积法对非定态三维可压缩流体流动问题给予研究,开发了一般网格下的通用计算程序 该程序适用于计算复杂几何边界条件、运动边界条件等情况下流体流动问题 作为例子,计算了简单中间包内流体的流动情况,给出了随时间变化的流场分布      

粘性不可压缩三维流场分块算法研究

提出了重叠对接耦合分块方法即为隐式求解的块迭代方法．采用自主开发的三维粘性不可压缩流场计算程序对重叠对接与不重叠对接的流场分块求解方法进行了比较研究．并与他人的实验结果进行了比较．研究表明,两种算法均能获得收敛解,而利用重叠对接分块法的收敛性优于不重叠对接分块法．Schwarz迭代法用于重叠分块网格的区域解法,而Dirichlet-Neumann迭代法用于不重叠分块网格的区域分解法．像Abdallah方法一样,控制方程在非交错网格下离散．如果网格雷诺数大于2则在对流项中采用逆风格式．     

基于嵌入空间变形体法的流固耦合网格更新

为解决在传统基于松耦合技术的流固耦合计算中由于单元类型和数量的不同,网格变形不协调、计算收敛困难以及计算误差大等问题,在进行流固耦合网格更新计算中引入了计算机图形学中基于自由变形（FFD）原理的嵌入空间变形体方法,通过将少量结构节点作为控制点来完成大量流体网格的高阶连续变形功能.计算中考虑了湍流来流边界条件的影响,与采用分区插值方法的计算结果进行了比较,并对流固耦合中的气动阻尼特性进行了分析.验证算例表明：该方法实现了高层建筑的任意复杂连续侧弯及扭转变形,且不受建筑外形复杂程度的影响|计算收敛性和精度更高,数值计算结果与风洞试验的结果吻合更好.     

船体三维变形响应的数值预报

针对航行中舰船变形问题,采用三维水弹性理论实现了波浪中舰船的动态变形预报。通过拟合不同模态下船体有限元模型的节点位移,实现了将三维模态信息应用于广义流固耦合界面条件。建立了舰船在规则波中的广义水弹性运动方程,求解出各阶振动模态的主坐标。将各阶弹性模态主坐标与预报位置的角变形矩阵相乘,得到角变形响应。针对某实船,分别采用三维水弹性方法和三维刚体方法进行计算,通过对船体结构角变形响应的对比,验证了三维水弹性方法的正确性,同时也证明了该方法在计算效率上的优势。     

基于无网格粒子法的复杂三维形状通用离散方法

复杂形状的三维建模问题一直是无网格粒子法应用于流体机械内流计算的难点之一,基于移动粒子半隐式法(MPS),结合通用光滑壁面边界(GSW)和无表面粒子判定技术(NSD),提出适用于流体机械任意复杂型面的通用离散方法.将CAD壁面模型通过面网格进行离散,提取网格节点并生成单层壁面粒子.利用粒子的自适应性对流体粒子进行填充布置以获取初始流体域.基于GSW模型壁面粒子尺度无关性的特点,提出壁面粒子局部加密与嵌套加密耦合的技术.针对主曲率较大的曲面采用局部加密,针对异面粒子干涉作用较强的薄壁曲面采用嵌套加密,从而在保证壁面法向量计算准确的前提下,用更少的壁面粒子实现复杂形状的精确表达.定义以法向光滑角度(NSA)为准则数的离散精度评价体系,以实际离心泵模型为例,定量描述离散模型的几何精度,分析并给出特征模型准则数的参考值.通过三维复杂静水算例、溃坝撞击挡板算例和诱导轮水中旋转算例阐述整套离散建模流程并验证本方法流动计算的准确性与稳定性.     

基于ALE法的输电塔-风流固耦合振动特性研究

基于ALE(拉格朗日-欧拉)法推导了结构-风场联合作用的流固耦合方程,并对结构的运动方程与流体控制方程进行了空间离散及迭代求解.应用此方法,分析输电塔-风耦联自由振动特性,得到在耦合场作用下输电塔结构的振动特性,计算结果表明了本文采用方法求解非线性耦合振动问题的有效性.     

C.R.Johnston直接法求解受弹性地基约束充液粘弹性管中的非线性波

研究了管壁受弹性地基力的充液粘弹性压力管道中的非线性波.假设管壁是粘弹性的,地基反力采用Winkler线性地基模型,管中流体为不可压缩理想流体.假定系统初始处于内压为po的静力平衡状态,此后的扰动是叠加在静力平衡状态上的.由管壁法向平衡方程和流体质量守恒、动量定理建立了流固耦合的非线性运动方程组,进而用"C.R.Johnston直接法"求解得到了系统的孤立波解.结果表明,"C.R.Johnston直接法"是一种求解非线性波的简洁、高精度的方法.     

横向绕流场中圆柱壳中等弯曲变形问题研究

针对弹性圆柱薄壳与横向绕流场的流固耦合问题,采用相容拉格朗日-欧拉法,建立了中等弯曲问题的理论分析方程组,着重求解壳体的法向位移和流体表面压力系数。结果表明：在横向绕流场作用下,壳体横截面由圆形变形为近似椭圆形,同时,壳体变形也对壳体表面流场压力产生了影响。通过算例,讨论有关参数对壳体法向位移和表面流体压力系数的影响。 最后,应用ANSYS软件对该问题进行了数值模拟,验证了理论解的可信度。