流体与结构相互作用问题的FE-SPH耦合模拟

应用有限元(FE)-光滑粒子流体动力学(SPH)耦合法模拟了具有自由表面的不可压流体与结构的相互作用问题.流体和结构分别采用SPH法和有限元法同时求解,两者在交界面处的相互作用通过接触算法进行处理.为了避免隐式计算压力,通过引入人工压缩率,将不可压流体近似为人工可压缩流体.采用FE-SPH耦合法对弹性板在随时间变化的水压作用下的变形以及倒塌水柱冲击弹性结构两个问题进行了模拟.模拟结果与实验结果以及其他已有数值结果符合良好,说明FE-SPH耦合法用于流体与结构相互作用问题的模拟是可行和有效的.     

非结构动网格在多介质流体数值模拟中的应用

采用非结构动网格方法对含多介质的流场进行数值模拟.采用改进的弹簧方法来处理由于边界运动而产生的网格变形.采用基于格心的有限体积方法求解守恒型的ALE(Arbitrary Lagrangiall-Eulerian)方程,控制面通量的计算采用HLLC(Hartem,Lax,van Leer,Contact)方法,采用几何构造的方法使空间达到二阶精度,时间离散采用四阶Runge-Kutta方法.物质界面的处理采用虚拟流体方法.本文对含动边界的激波管、水下爆炸等流场进行数值模拟,取得较好的结果,不同时刻界面的位置和整个扩张过程被准确模拟.     

流体-结构耦合问题的有限元并行计算研究

流体-结构耦合问题广泛存在于各种工程领域,本文采用ALE显武有限元法求解该类问题,并对该方法的并行性进行讨论.同时根据流体-结构耦合问题与ALE显式有限元的计算特点,在坐标递归分区方法的基础上设计并程序实现了基于流体-结构耦合均街的分区算法.通过与坐标递归分区方法的计算结果相比较,对于流体-结构耦合问题的求解,耦合均衡并行分区方法具有更好的加速比和并行效率.     

非线性流固耦合问题的ALE分步有限元数值方法

推导了一种基于ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian,即任意的拉格朗日-欧拉）描述下的带有自由液面不可压液体与运动结构非线性耦合问题的一种有限元数值计算方法,在时间域上采用分步格式计算,这种方法与混合插值方法比较其优点是速度和压力可使用同阶线性插值,给数值计算带来很大方便,将所得到的方法应用到结构与TLD（调谐式（液体阻尼器）装置之间的耦合问题,数值计算结果验证了本文所推导的方法。     

求解二维结构-声耦合问题的一种半数值半解析方法

基于传递矩阵法和虚拟源强模拟技术提出了一种求解在谐激励作用下二维结构-声相互作用问题的半数值半解析法.在足够小的积分步长内,文中对任意形状弹性环沿周向曲线坐标的非齐次状态微分方程组,建立了一种齐次扩容方法.对于外声场,采用多圆形虚拟源强配置方案,并在每一条圆形配置曲线上将源强密度函数用Fourier级数展开,同时结合快速Fourier变换法,提出了一种高精度、高效率求解任意形状二维孔穴Helmholtz外问题的快速算法.在耦合方程的求解方面,根据叠加原理,将外激励和虚拟源强的Fourier级数展开项作为广义力分别作用在弹性环上,借助齐次扩容方法和精细积分法求得弹性环的状态向量,再利用流固交接条件和最小二乘法直接建立了耦合系统的求解方程.文中给出了二个典型弹性环在集中谐激励力作用下声辐射算例,计算结果表明该文方法较通常采用的混合FE-BE法更为有效.     

平面波输入下海水-海床-结构动力相互作用分析

海洋工程结构的地震反应分析是保证海洋工程结构地震安全的重要环节.由于其所处的复杂环境,该问题涉及到流固耦合和土-结相互作用.本文基于海水、饱和海床、基岩流固耦合统一计算框架,采用Davidenkov模型和修正的Masing准则考虑饱和海床的非线性,在脉冲SV波垂直入射下,进行了海域场地和海洋工程结构的动力响应分析.首先,对比分析了线性自由场和非线性自由场输入情形的海域场地非线性反应,结果表明线性自由场输入时反应不合理,自由场分析和场地分析应该采用相一致的本构模型.然后,对比分析了海床分别为线性和非线性情形时,海域场地以及海水-海床-结构体系的反应特征.与线性海床情形相比,非线性对海床反应的影响主要由如下两方面因素控制:一方面,非线性导致饱和海床模量减小,饱和海床与基岩间的波阻抗比减小,由基岩到饱和海床间的反射系数和透射系数增加,导致反应增大;另一方面,非线性导致阻尼加大,使海床反应减小.对于本文算例而言,阻尼对非线性海床结果的影响占主导作用.     

一种高效的霍尔电场数值模拟方法

针对高超声速飞行器电磁调控分析中霍尔电场高效数值模拟方法的需求, 以磁流体动力学基本原理为基础, 构造了双曲形式的霍尔电场控制方程. 基于自行开发的计算流体力学数值求解框架, 在非结构混合网格上通过格心有限体积方法建立了新的霍尔电场数值模拟方法. 迎风分裂格式基于Rusanov格式, 时间推进基于LU-SGS隐式算法. 以立方体区域泊松方程算例和分段电极流动通道霍尔电势算例为例对文章数值方法的准确性、收敛特性以及计算效率进行了考核和验证. 数值模拟结果表明, 当前数值方法计算结果与传统方法相同, 且具有良好的收敛特性, 对于立方体区域泊松方程算例, 当前方法所需墙上时间为传统方法的28.76%, 而对于分段电极流动通道霍尔电势算例, 当前方法所需墙上时间仅为传统方法的0.61%. 文章提出的新的霍尔电场数值模拟方法具有较高的计算效率.     

一种三维饱和土-基础-结构动力相互作用分析方法

地震波入射时土与结构动力相互作用分析是地震工程领域的重要问题.由于问题的复杂性,以往的研究大多考虑地基土为干土情形.而实际工程中,土体中经常充满孔隙水,土层往往是含水层或部分含水层.孔隙水对土层的地震反应影响较大,进而影响支撑于其上的基础和上部结构的响应.因此,有必要考虑饱和土-基础-结构动力相互作用问题.基于此,土体采用Biot模型,利用集中质量显式有限元方法并结合多次透射人工边界进行模拟;结构经有限元离散后,采用Newmark隐式时步积分方法进行分析,可通过ANSYS等有限元软件实现;基础假定为刚性,采用显式时步积分进行求解;土体和结构(及基础)可分别采用不同的时间步距;通过FORTRAN程序实现了三维饱和土-基础-结构系统在地震作用下的整体分析.从饱和多孔介质动力微分方程出发可知,干土是饱和土的特殊情形,通过将流体体积模量及孔隙率置为零,可将饱和土退化到干土,从而将干土统一到饱和土的计算框架中,通过土-结构相互作用算例对此进行了验证,进一步实现了干土与饱和土混合情形时的土-结构动力相互作用分析,使得问题的模拟更贴近实际工程(如考虑地下水位情形).通过算例对比了饱和土地基、干土地基、干土覆盖饱和土地基(考虑地下水位)情形时,土-结构相互作用对基础和结构响应的影响,结果表明地下水位对基础和结构响应的影响较大.     

三维波浪-流-串行桩柱相互作用的数值分析

为探讨波浪-流-串行桩柱的相互作用,建立了三维数值模型,采用大涡模拟(LES)方法对湍流进行模拟。研究了波浪-流-串行桩柱相互作用下的拖曳系数,对波浪-流靠近结构时的非线性相互作用引起的拖曳力和涡的变化,以及在结构前后自由面的变化进行了分析,并且与波浪-流与孤立桩柱相互作用的研究进行比较。结果表明:由于桩柱的存在,在波浪-流的传播过程中出现了时间延迟,这就导致了桩柱前后附近自由面水位存在较大的位移差;由于桩柱之间互相干扰,下游桩柱的存在导致上游桩柱附近不能形成非对称的周期性涡脱落,上游桩柱横向拖曳力受到影响最大,顺方的拖曳力也受到明显影响;下游桩柱横向和顺向的拖曳力都受到较大的影响;同时涡的脱落会把其附近的自由面吸入。     

关于土—结相互作用界面力学行为的数值模拟

根据土 -结 (桩 )相互作用典型的界面力学行为特点——两者相互作用直至剪切破坏的滑动面一般都是在土体一侧内部发生的 ,滑动层的厚薄与土性及结构物表面粗糙度等有关等 ,提出了把二者所谓相互作用的界面在概念上做广义化的处理 ,即泛化为一有限的区域 ,认为结构与土体相互作用的界面应是一个广义的相互作用影响范围而非绝对地仅只限于两者的相互接触界面 ,两者间相互作用的界面行为可近似地通过这有限薄层范围内土体材料的本构行为来模拟 ,从而形成了本文关于土 -结相互作用界面行为的模拟关键实质上可以归结为土体的非线性本构行为及其数值分析途径的研究等观点 ,仅供同行参考     

A NUMERICAL METHOD FOR SIMULATING NONLINEAR FLUID-RIGID STRUCTURE INTERACTION PROBLEMS

A numerical method for simulating nonlinear fluid-rigid structure interaction problems is developed. The structure is assumed to undergo large rigid body motions and the fluid flow is governed by nonlinear, viscous or non-viscous, field equations with nonlinear boundary conditions applied to the free surface and fluid-solid interaction interfaces. An Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE) mesh system is used to construct the numerical model. A multi-block numerical scheme of study is adopted allowing for the relative motion between moving overset grids, which are independent of one another. This provides a convenient method to overcome the difficulties in matching fluid meshes with large solid motions. Nonlinear numerical equations describing nonlinear fluid-solid interaction dynamics are derived through a numerical discretization scheme of study. A coupling iteration process is used to solve these numerical equations. Numerical examples are presented to demonstrate applications of the model developed.     

基于重叠网格与结构网格的圆柱绕流数值模拟

为研究重叠网格与结构网格在圆柱绕流数值模拟中的区别,以二维圆柱为例,利用有限元分析软件ANSYS 19.2中的DM与Mesh建立模型并划分重叠网格,利用ANSYS 19.2中的ICEM建立模型并划分结构网格。采用FLUENT 19.2中laminar模型模拟分析系统中的平均升力系数、平均阻力系数、斯特劳哈尔数St等流体动力特性。通过改变流体流速得到两种不同网格下各6组雷诺数Re,这6组雷诺数在60～160之间。结果表明:结构网格与重叠网格的St都随着Re的增加而增加,但相同雷诺数下重叠网格对应的St数值更大,St的增长速度更快;重叠网格与结构网格的平均升力系数与平均阻力系数随着Re的增加趋于稳定的速度都加快,但结构网格的平均升力系数与平均阻力系数趋于稳定的速度更快,且两种网格的平均升力系数与平均阻力系数趋于稳定速度的差距逐渐缩小,当Re=160时,两种网格的平均升力系数与平均阻力系数趋于稳定的速度几乎相同;当雷诺数在60～160之间时,采用重叠网格计算出来的斯特劳哈尔数比结构网格更加接近理论值;从升力功率谱密度分布曲线中可以看出,随着雷诺数的增加,两种网格下的频率逐渐变大,并且相同雷诺数下重叠网格的频率比结构网格大。     

浸入式边界方法的研究及应用进展

本文总结了浸入式边界方法 (immersed bundary method, IB method) 中的力源建模研究进展, 并且对该方法在诸如生物体绕流及流固耦合等典型的复杂边界以及运动边界问题中的应用进行了介绍. 边界精度低是IB方法主要特征之一, 但该方法目前在计算气动声学等高精度计算中同样有所应用. 最后本文对IB方法在处理高雷诺数流动问题上所面临的挑战以及目前研究进展和未来发展方向进行了介绍.     

非定常流场降阶模型及其应用研究进展与展望

非定常流场模型降阶技术的出现,为CFD／CSD耦合数值模拟方法在工程设计中的广泛应用提供了新机遇．在对非线性系统模型降阶理论与方法进行概述的基础上,全面系统地介绍了非定常流场降阶模型的国内外研究进展．按基于系统辨识的降阶模型和基于流场特征结构的降阶模型两大类进行评述,比较了各种降阶模型的优缺点并指出了进一步改进的思路．...     

Validation of a fluid–structure interaction model for a bileaflet mechanical heart valve

A fluid-structure interaction (FSI) model for heart valve simulation is presented. In a partitioned framework, separate fluid and structure solvers are weakly coupled, which in combination with the use of artificial compressibility in the fluid solver, leads to a stable and efficient approach. An Arbitrary Lagrangian Eulerian formulation is employed in the fluid solver to permit the accurate calculation of shear stresses next to the valve boundary. The mesh quality is maintained through a combination of smoothing and local remeshing in 3D. The FSI algorithm is validated on experiments of an idealised quasi-2D mechanical heart valve, and the efficiency of the remeshing approach is demonstrated on a realistic 3D heart-valve geometry.     

正交异性复合材料储液容器入水过程数值分析

采用多物质ALE流固耦合算法,对柔性储液容器的入水问题进行了仿真研究。该方法可以方便地考虑多种流体同时与结构耦合。首先,通过模拟平板恒速入水试验,验证了该方法的有效性,并确定了空气的影响。进而,仿真分析了复合材料柔性容器入水时的动态响应行为,结果表明,底部\"空气垫\"及容器内空气对冲击载荷具有一定的缓冲作用,容器底部形状、储液量等因素也具有较大影响。仿真得到的响应规律为容器的优化设计提供了重要的理论参考。     

A modal analysis for the dynamic response of fluid-structure systems

In this paper a theory of modal analysis for the dynamic response of fluid-structure systems is presented. A pair of generalized eigenvalue equations with three real symmetric matrices and their relationships are derived from the finite element equations in the form of structural displacements and fluid velocity potential. Generalized orthogonality relations of modal vectors are then developed. The response of the system to external excitation is derived in closed form by modal expansion. Two examples of the solution are given for illustration.     

在动网格上的多介质界面数值处理方法研究

运用动网格上的ALE方法对一维可压缩多介质Riemann问题进行求解,在处理介质界面上的数值通量时提出了3种不同的数值方法：Lagrange方法、GFM和HLLC方法,并且对这3种方法的数值结果进行了比较,认为GFM方法和HLLC方法在介质界面上出现大压力梯度时能够明显消除界面上密度的非物理震荡,提高介质界面上数值解的精度.