基于特征分裂有限元准隐格式的共轭传热整体耦合数值模拟方法

共轭传热现象在科学和工程领域中大量存在. 随着计算能力的发展, 对共轭传热现象进行准确有效的数值模拟, 成为科学研究和工程设计上的重要挑战.共轭传热数值模拟的方法可以分为两大类: 分区耦合和整体耦合.本文采用有限元法对共轭传热问题进行整体耦合模拟. 固体传热求解采用标准的伽辽金有限元方法.流动求解采用基于特征分裂的有限元方法. 该方法是一种重要的求解流动问题的有限元方法, 可以使用等阶有限元. 该方法的准隐格式与其他格式相比, 具有时间步长大的特点. 将稳定项中的时间步长与全局时间步长分开, 改进了准隐格式的稳定性. 基于改进的特征分裂有限元方法的准隐格式, 发展了一种层流共轭传热数值模拟的整体耦合方法. 采用这种方法可以将流体计算域和固体计算域作为一个整体划分有限元网格, 并且所有变量都可以采用相同的插值函数, 从而有利于程序的实现. 通过对典型问题的模拟, 验证了这种方法的准确性. 本工作还研究了固体区域时间步长对定常共轭传热问题数值模拟收敛性的影响.      

气液两相流动与固壁相互作用耦合求解的研究

气液两相流动与固壁相互作用的研究是液滴撞击壁面运动研究的重要基础.以结合了VOF和Level Set两种方法优点的用于气液相界面追踪的复合Level Set-VOF方法和利用唯象分析方法建立的能够反映接触角滞后性及壁面性质对润湿过程影响的壁面润湿模型为基础,提出了气液两相流动与固壁相互作用耦合求解流程,给出了气液两相流动与固壁相互作用耦合求解过程中接触线速度的计算方法及边界条件的确定方法.通过与已有实验结果的对比,对提出的气液两相流动与固壁相互作用耦合求解方法的有效性进行了验证.     

基于流固耦合方法的水轮机蜗壳结构振动及损伤机理研究

蜗壳流道内的内水压力是引起外围混凝土发生损伤的主要原因.基于流固耦合理论,并引入混凝土弹塑性损伤模型,建立了流体与蜗壳结构耦合振动分析的理论框架,提出了一套水轮机流道内水体流动诱发蜗壳外围混凝土振动损伤的数值计算方法.首先基于有限体积法建立水轮机蜗壳流道流动的数值模型,同时采用有限元方法建立蜗壳结构固体区域的三维有限元模型;进而将流体区域边界上动水压力作为外荷载实时传递给固体区域边界进行三维有限元非线性损伤瞬态分析,实现了大型水轮机蜗壳结构中流体流场到固体应力、位移场的单向耦合三维数值分析.通过计算分析得到了水体流动诱发蜗壳外围混凝土振动的响应规律以及混凝土损伤的发展规律.     

煤层瓦斯流动的固－气耦合数学模型及数值解法的研究

本文根据煤层瓦斯流动时，固体变形与瓦斯流动的基本理论，提出了耦合数学模型，并证明该耦合数学模型解的存在性和光滑性，给出了这一非线性数学模型的数值解法。     

面向发动机再生冷却的流热耦合拓扑优化

再生冷却作为一种主动热防护形式,被广泛应用于高超声速飞行器发动机的热防护系统.为了进一步提高再生冷却结构的换热性能,发展了考虑变热物理性质和输运性质的流热耦合拓扑优化设计方法.首先建立了流热耦合拓扑优化模型,基于连续伴随法对考虑变物性的伴随方程和灵敏度进行了推导,并利用开源计算平台OpenFOAM构建了拓扑优化求解器,耦合了滤波和投影等技术以缓解可能出现的数值问题,结合了建表-插值法对冷却剂物性和相关偏导项进行计算.随后对流热耦合结构进行了拓扑优化设计,结果表明:随着能量耗散约束值的增大,通道的拓扑结构愈加复杂,冷却通道内的流动分离和再混合现象更加显著.通过提取5种拓扑优化构型(Case 1～Case 5),对三维拓扑优化结构的流动换热特性进行了数值模拟分析,发现冷却剂的流动分离和再混合诱导产生复杂的二次涡结构,有助于激发湍动能,增强通道的局部换热性能.最终Case 3～Case 5中的拓扑优化构型相较于传统构型均起到了强化换热效果,平均努塞尔数增益百分比分别为12.6%, 16.0%和23.4%.     

航空发动机叶片气动弹性动力响应的数值方法研究进展

流动诱发振动造成的航空发动机叶片高周疲劳失效问题深受关注.对叶片的气动弹性动力响应研究的数值方法及进展进行了回顾,总结了航空发动机叶片振动响应实验研究和数值模拟研究的典型成果与特点,并对未来研究发展趋势进行展望.指出进一步的机理研究将集中于不稳定流动因素引发叶片强迫振动发作规律的探索以及更贴近流固耦合物理机制的气动弹性数值模拟方法的发展;在工程需求牵引下,建立适用于工程预测的动力响应分析模型,在设计过程中科学评价叶片气动弹性动力响应问题的潜在风险和发展流动控制基础上的气动阻尼减振技术值得进一步关注.      

长单索结构的多参数流固耦合分析

介绍了长索结构在风场中的流固耦合振动,总结已有的流固耦合基本理论,着重介绍弱耦合问题的具体分析过程.以100m长索在不同拉索倾角和风向角的多参数流固耦合风振为例,应用ANSYS-CFX软件分别在层流模型和湍流模型风场中进行数值分析,得出与力学概念分析基本一致的结果.     

充液腔体内复杂流动及其系统动力学研究

分别对旋转和非旋转充液腔体,阐述了腔内液体各种流动求解理论与实验研究的进展, 简述了主要数值模拟方法的应用状况,并从系统动力学角度,讨论了充液腔体耦合系统动力 学中的相关问题.     

异径管冲蚀失效的流固耦合数值模拟

针对异径管的冲蚀失效问题,以管壁腐蚀产物保护膜为研究对象,主要研究流固耦合对管道冲蚀破坏的作用机理. 建立流固耦合数理模型,推导出在任意拉格朗日-欧拉(ArbitraryLagrange-Euler, ALE)描述下的黏性流体N-S方程和腐蚀产物保护膜固体区域的控制方程,分析管壁边界层多相流介质流动与腐蚀产物保护膜破损之间的耦合作用. 以异径管冲蚀失效为例,运用多物理场耦合软件,分析了异径管流体流向、结构和规格对保护膜变形的影响,模拟结果表明:流向为``大进小出'的冲蚀较严重;偏心异径管比同心异径管冲蚀严重;两端管径差越大,冲蚀越严重. 可为异径管的失效分析、优化设计和在役检验提供参考.      

航行体水下发射流固耦合效应分析

对于水下发射过程来说,掌握水动力载荷形成机理与结构响应特征是一个亟待解决的问题.研究该问题需要考虑含相变的复杂多相流动,变约束的结构运动以及这二者之间的耦合效应.本文采用松耦合的方法,以流体求解器为主体,将自编的固体结构程序接入流体求解器中,在每个时间步长内分别对流体动力学方程和固体结构动力学方程进行求解,通过流固界面之间的数据交换实现耦合计算.其中,流体求解器基于雷诺平均纳维斯托克斯方程,采用单流体模型处理多相流问题,引入空化模型描述空化相变,采用修正的湍流模型模拟混合物的湍流效应,并采用动网格技术处理移动边界问题.航行体的刚体运动和结构振动分开求解.结构求解器采用等效梁模型描述结构的振动,通过坐标变换给出了随体坐标系下的结构振动方程,求解方法采用时域积分法.所建立的流固耦合方法不仅能够捕捉到自然空化的演化情况,还可获得航行体所受水动力、结构振动响应以及截面的弯矩,获得了实验的验证.基于该方法研究了结构刚度、发射速度对空泡溃灭与结构振动耦合效应的影响规律.结果表明,同步溃灭是影响结构载荷的主要因素,包括溃灭压力幅值,溃灭压力作用位置,以及溃灭压力与结构振动的相位关系.     

考虑热流固耦合作用的多孔介质孔隙尺度两相流动模拟

为了研究深层油气资源在岩石多孔介质内的运移过程, 使用一种基于Darcy-Brinkman-Biot的流固耦合数值方法, 结合传热模型, 完成了Duhamel-Neumann热弹性应力的计算, 实现了在孔隙模拟多孔介质内的考虑热流固耦合作用的两相流动过程. 模型通过求解Navier-Stokes方程完成对孔隙空间内多相流体的计算, 通过求解Darcy方程完成流体在岩石固体颗粒内的计算, 二者通过以动能方式耦合的形式, 计算出岩石固体颗粒质点的位移, 从而实现了流固耦合计算. 在此基础上, 加入传热模型考虑温度场对两相渗流过程的影响. 温度场通过以产生热弹性应力的形式作用于岩石固体颗粒, 总体上实现热流固耦合过程. 基于数值模型, 模拟油水两相流体在二维多孔介质模型内受热流固耦合作用的流动过程. 研究结果表明: 热应力与流固耦合作用产生的应力方向相反, 使得总应力比单独考虑流固耦合作用下的应力小; 温度的增加使得模型孔隙度增加, 但当注入温差达到150 K后, 孔隙度不再有明显增加; 温度的增加使得水相的相对渗流能力增加, 等渗点左移.      

广义热弹性问题研究进展

本文总结了广义热弹性问题最近10年的研究进展, 包括不同类型广义热弹耦合问题的研究、考虑磁\!--\!电多场耦合的广义电磁热弹耦合问题研究以及计及扩散效应和黏弹性效应的广义热弹性理论的发展、广义热弹性问题基本求解方法等, 通过总结, 使读者对广义热弹性问题的研究现状及发展趋势有较全面的认识, 帮助研究人员进一步开展广义热弹性问题更高层次的研究.      

矩形薄板的刚柔耦合动力学系统的建模理论研究

以由中心刚体与柔性板构成的刚柔耦合系统为对象,研究了零次近似模型和耦合模型在动力学方程以及实际计算中表现出来的差异.首先,从连续介质理论出发,在变形位移中,计及了在结构动力学中被忽略的变形位移的附加耦合项,建立了由中心刚体与柔性板构成的刚柔耦合系统的一次近似动力学模型.用一致质量有限元法对柔性板进行离散,基于Jourdain速度变分原理推导出大范围运动为自由的柔性板刚柔耦合动力学连续变分方程.通过数值仿真研究中心刚体和柔性板的大范围运动和变形运动的规律,揭示刚柔耦合动力学性质.通过数值对比,指出了零次近似模型的局限性.     

瞬态载荷下L4/L5椎间盘内流固耦合效应

中医正脊治疗通过对腰椎施加瞬态拉伸和旋转来治疗腰椎间盘退变, 本文采用考虑流固耦合效应的数值模拟研究其生物力学机制. 通过实验测量和文献调研, 确定了合理的拉伸和旋转的载荷参数; 发展了使用人体断层扫描图像结合解剖学数据建立详细腰椎几何模型的方法; 将松质骨、终板、椎间盘考虑为多孔弹性介质, 其他组织考虑为线性弹性介质, 进而建立了考虑生物组织中流固耦合效应的物理模型; 通过数值模拟得到了不同瞬态载荷及其组合作用下椎间盘内应力?应变与流体流动的变化规律. 研究发现, 瞬态载荷通过改变L4/L5椎间盘基质应力和髓核内外压力梯度, 在髓核中产生流体流动; 拉伸加载引起流体先流出髓核、再流入髓核, 产生含水量变化; 顺时针旋转加载在髓核左右产生相反的流动, 髓核右侧的含水量变化较左侧大. 本研究所采用的方法为流动过程相关的人体椎间盘退变病理生理机制研究提供了新的方法, 为中医正脊研究提供科学化思路, 也为相关的力学-生物学耦合研究和髓核再生的基础研究提供了一个切入点.      

树木在风中摇曳的流固耦合数值模拟方法探索

树木在风中摇曳是一个流固耦合问题,但树的结构复杂,无法直接用已有的流固耦合数值方法来模拟.本文提出一种基于虚拟耦合面的流固耦合方法,该方法用一个虚拟的连续曲面把树冠包裹起来,在这个曲面上建立流固耦合关系,并将虚拟曲面上计算得到的风荷载作为树木结构的外力进行加载.虚拟耦合面本身不妨碍树木枝条的运动,且能避免在每个枝条、树...     

一种强耦合预估-校正浸入边界法

为克服传统浸入边界法的质量不守恒缺陷,提出了一种用于可压缩流固耦合问题的强耦合预估-校正浸入边界法。通过阐述一般流固耦合系统的矩阵表示,推导了流固耦合系统的强耦合Gauss-Seidel迭代格式,进一步导出预估-校正格式,提出了预估-校正浸入边界法。该方法使用无耦合边界模型对流体进行预估,将流固耦合边界视为自由面,固体原本占据的空间初始化为零质量的单元,允许流体自由穿过耦合边界。对于流体的计算,使用带有minmod限制器的二阶MUSCL有限体积格式和基于Zha-Bilgen分裂的AUSM+-up方法,配合三阶Runge-Kutta格式推进时间步。在校正步骤中,通过一组质量守恒的输运规则来实现输运过程。输运算法可概括为将边界内侧的流体进行标记,根据标记顺序以均匀方式分割和移动流体,产生一个指向边界外侧的流动,最后在边界附近施加速度校正保证无滑移条件。标记和输运算法避免了繁琐的对截断单元的几何处理,确保了算法易于实现。对于固体的计算,分别采用一阶差分格式和隐式动力学有限元格式求解刚体和线弹性体,并利用高斯积分获得固体表面的耦合力。使用预估-校正浸入边界法计算了一维问题和二维问题。在一维活塞问题中,获得了压力分布、相对质量历史和误差曲线,并与其他方法进行了对比。在二维的激波冲击平板问题中,获得了数值模拟纹影和平板结构的挠度历史,并与实验结果进行了对比。研究表明,该方法区别于传统的虚拟网格方法和截断单元方法,能够精确地维持流场的质量守恒并易于实现,且具有一阶收敛精度,能够较准确地预测激波绕射后的流场以及平板在激波作用下的挠度,为开发流固耦合算法提供了一种新的思路。     

水力压裂中裂纹扩展的数值模拟

水力压裂是在高压粘滞流体或清水作用下地层内裂缝起裂与扩展的过程。由于包含岩石断裂和流-固耦合等复杂问题,对该过程的数值模拟具有相当大的挑战性。本文建立基于有限元与离散元混合方法的裂纹模型,模拟岩石裂纹扩展,实现了连续向非连续的转化;建立双重介质流动模型,裂隙流作为孔隙渗流的压力边界,孔隙渗流反作用裂隙的压力求解,处理了流体在基岩与人工裂缝中的协调流动;将裂纹模型与流体流动模式进行结合,建立断裂-应力-渗流耦合形式的力学模型,进一步分析了水力压裂的基本过程,综合多种数值计算方法,编写程序,在验证岩体裂纹模型与双重介质流动模型有效性的基础上,对压裂过程进行复现,将模拟结果与文献结果进行了对比,并讨论了所构建模型的优缺点。     

柔性体与运动流体耦合问题研究进展综述

介绍了柔性体流固耦合运动的研究背景和研究意义,回顾了均匀来流和复杂非均匀流场中单个及多个柔性物体耦合运动问题的研究进展和最新研究现状.在此基础上,揭示了国内外柔性体流固耦合问题研究深度逐步推进和研究方法不断改进的历程,归纳了对柔性体流固耦合运动的主要影响因素及各因素作用规律的认识.基于现阶段柔性体流固耦合运动机制的主要研究内容和研究成果,提出了相关研究的下一步开展方向.     

中心刚体-柔性梁系统的耦合变形影响

本文对作大范围运动的中心刚体-柔性梁系统的耦合变形的影响进行研究.给出一种新的描述柔性梁耦合变形的有限元插值方法,该方法采用笛卡尔变形坐标对横向变形和纵向变形之间的耦合项进行描述,该耦合变形项只与本单元的节点变形坐标相关.分别讨论了耦合变形项对惯性力与弹性力的贡献,分析了它们对刚-柔耦合动力学行为的影响.通过研究指出当采用笛卡尔变形坐标描述时,如果在计算弹性力的时候考虑了耦合变形影响,无论在计算惯性力时是否考虑耦合变形影响,都可以得到稳定收敛的结果.反之,如果在计算弹性力时忽略了耦合变形影响,无论在计算惯性力时是否考虑耦合变形影响,当大范围运动的速度较高时,将会得到错误的发散的结果.因此,通过忽略耦合变形对质量分布的影响,只保留耦合变形对弹性力的影响,可实现对动力学方程的简化.     

耦合离散流体理论的差分格式及其应用

求解Navier-Stokes方程组,一直是粘性流动计算的主导途径。但在计算中,都是在一定的网格单元上进行离散,而对不同的离散单元,流动的特征并不相同。本文通过离散单元上网格雷诺数的变化分析,采用耦合离散流体理论（CDFT）差分格式,对向后台阶底部超声速流动问题进行数值模拟,得到了满意的结果。