虚拟区域法在流固耦合问题中的应用

将多相流领域内的虚拟区域法引入到流固耦合问题的分析中,将固体视为应变率为零的虚拟流体,对流体和虚拟流体均以速度和压强作为基本变量,采用Navier-Stokes方程作为控制方程,同时求解流体域和虚拟流体域, 得到整个计算域的流场分布,应用分布式拉格朗日乘子法在虚拟流体域上施加刚体约束, 以保持虚拟流体的刚体外形和运动形式,最终建立一种流固耦合模型及其数值求解方法. 通过对粒子流问题和流固耦合问题进行数值模拟,验证了此模型的正确性和求解大变形/运动流固耦合问题的有效性.      

流固耦合振动问题的普遍方程与解法

本文研究了在一般正交曲线坐标下，分别就理想不可压缩流体与粘性流体两种不同情况时的流固耦合振动。综合运动了混合座标法（动－－静坐标法）及曲面映射方法，考虑了原来难以描 流体自由表面和流固耦合面的运动情况，并保持了方程中的非线性项，从而获得了一组较为切合实际的方程，以描写流固耦合振动的性态。讨论了由Ｍ个弹性 本（或弹性板）组成的容器与流体耦合振动的方程的解法，并举例说明这类问题的方程的具体形式与解当，     

基于ANSYS Workbench的输液管道断裂甩动分析

输流管道的流固耦合是一个十分常见且很重要的问题,在航天、石油、化工、建筑、海洋及生物领域都有着十分重要的意义.在研究输液管道系统中的断裂甩动问题中本文通过考虑流固耦合效应的影响,基于Workbench的平台用ANSYS+CFX软件实现水和钢管的耦合模拟了弯曲管道的甩动行为,得出了甩动过程中钢管应力值偏大的位置和自由端甩动的位移变化规律,为管道横截面断裂甩动的研究和防甩的工作提供一个参考.     

风场中长单索结构流固耦合效应的动力学分析

本文介绍了长单索结构的风致振动现象及传统单索动力计算方法,分析了进行流固耦合计算的必要性.详细阐述了流固耦合的基本理论和方法,并介绍了有限元软件ANSYS的流固耦合计算流程.根据两种工况下的流固耦合算例分析,给出了长单索结构跨中节点的位移、应力以及索表面风压等物理量的时程曲线,通过对不同工况以及不同流场模型的模拟和分析比较,探讨了基于流固耦合分析的长单索结构风致振动响应的特点,对长单索结构的风致振动分析和设计具有参考意义.     

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。     

基于场分离的水下爆炸流固耦合计算方法

基于谱单元方法对水下爆炸流固耦合机理进行了研究,针对总场模型中入射波在流体网格中传播会产生失真现象的问题,采用场分离技术,通过理论推导建立了水下爆炸流固耦合问题的散射场数值模型.经过编程计算比较得出,散射场数值模型有效解决了入射波在流体网格中传播的失真问题,比总场模型计算精度更高,可较好地应用于水下爆炸流固耦合问题的求...     

风与柔性结构流固耦合作用的预处理方法研究

针对强耦合方法求解风与柔性结构流固耦合作用时,大量计算资源都耗费在对强耦合方程求解中这一弊端,本文研究了强耦合方程的预处理求解方法。在风与柔性结构流固耦合作用的强耦合整体方程的基础上,将时空离散和线性化后的类似结构方程看成是鞍点问题,首先推导得到了类似结构方程的预处理矩阵;再基于此推导出了强耦合整体方程的预处理矩阵。首先采用预处理方法对经典二维流固耦合问题进行了计算,验证了提出的预处理矩阵的正确性;然后对风与三维膜结构的流固耦合作用进行了分析,评估了所提出预处理方法的相关计算参数。计算结果表明,所提出的预处理方法可使强耦合整体方程的求解在计算精度和计算效率上都得到较大提升,证明本文提出的预处理方法适用于风与柔性结构的流固耦合分析。     

一种面向舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方法

水下爆炸导致舰船结构毁伤是一个复杂的非线性大变形流固耦合过程,高精度的流固耦合计算是获得高置信模拟结果的关键。基于浸没边界思想,本文提出一种面向大变形壳理论的流固耦合数值方法,可精确刻画流固耦合界面并高效求解流固界面约束方程。基于该方法,本文提出了完整的适用于水下爆炸舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方案,并基于大规模并行编程框架,研发形成适用于舰船结构毁伤的流固耦合大规模并行计算软件。与泰勒平板理论解和水下爆炸结构冲击响应实验数据等进行对比表明,本文方法可有效模拟大变形流固耦合工程问题,具备较高数值求解精度。在此基础上,完成了水下爆炸整船结构毁伤过程大规模数值模拟。该方法可有效应用于舰船毁伤等级评估,应用前景广阔。     

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.      

水中冲击波与弹性薄板耦合作用的研究

对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合作用进行了研究,建立了实验装置。利用全息干涉法定量测量了水中动态流场,并测出受水中冲击波作用的弹性薄板在不同时刻的变形,得出相应的全息干涉条纹图。同时利用有限元法对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合问题进行了数值计算。研究结果表明,用实验方法能够较好地模拟水中冲击波与弹性结构的耦合作用,用有限元法计算水中冲击波传播问题是可行的。     

流固耦合破坏分析的多分辨率PD-SPH方法

流固耦合破坏是一类涉及结构变形与破坏以及复杂自由表面现象的强非线性力学问题. 结合近场动力学(peridynamics, PD)与光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)各自的优势并考虑其计算效率问题, 提出一种适用于分析流?固耦合破坏问题的多分辨率PD-SPH混合方法. 分别采用SPH和PD方法以不同的空间和时间分辨率对流体和结构进行离散与求解, 利用具有与流体粒子相同光滑长度的虚粒子处理流?固界面, 以高精度满足界面边界条件. 通过两个经典算例: 液柱静压力下弹性板的变形和溃坝流体冲击弹性闸门的变形问题, 表明提出的多分辨率PD-SPH方法兼具较高的计算精度和计算效率; 对含裂缝的Koyna重力坝水力劈裂问题进行模拟计算, 所得裂缝扩展路径与文献结果吻合, 说明该方法适用于涉及结构破坏的流固耦合问题仿真. 最后尝试采用该方法进行流体冲击作用下含裂纹混凝土板崩塌过程数值仿真, 准确描述混凝土板的断裂破坏和全过程中的流体运动. 多分辨率PD-SPH混合方法或可为流?固耦合作用下的结构损伤破坏仿真提供一种新选择.      

Modelling techniques for fluid–solid coupling dynamics of bundle tubes vibrating and colliding in fluids

Nonlinear vibrations that occur in such bundle structures caused collisions between tubes and cross flows of the surrounding fluid. This paper presents modeling techniques for simulating the FSI dynamics of bundle tubes vibrating and colliding in fluids. A typical configuration of a three-dimensional tube bundles submerged in fluid of a cylindrical container is studied. Coupling conditions of displacement, velocity and forces are considered on the fluid-structure coupling interfaces. Contacts boundary between tubes and topological domain changes of the fluid are also considered on the fluid-structure coupling interface. Modeling techniques and algorithm are then established for flow-induced vibrations of the tubes, and collisions between tubes in fluids. The examples are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed techniques. It has confirmed that our code produces the correct physics of the FSI problem, and capable of revealing the complex nonlinear mechanism with solid-solid contacts together with fluid-solid interactions.     

流固耦合分析的一种改进CBS有限元算法

针对流固耦合问题, 发展了一种基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)描述有限元法的弱耦合分区算法. 运用半隐式特征线分裂算法求解Navier-Stokes方程, 在压力Poisson 方程中引入质量源项以满足几何守恒律; 运用子块移动技术更新动态网格, 并配以光滑处理防止网格质量下降; 采用Newmark-β 法求解结构运动方程. 为保持流体-结构界面处速度和动量守恒, 利用修正结合界面边界条件方法求解界面处速度通量和动量通量. 运用本方法分别模拟了不同雷诺数下单圆柱横向和两向流致振动、串列双圆柱两向流致振动. 计算表明, 本文方法计算效率高, 计算结果与已有实验和数值计算数据吻合.     

Level set function–based immersed interface method and benchmark solutions for fluid flexible-structure interaction

Using a hybrid Lagrangian-Eulerian approach, a level set function–based immersed interface method (LS-IIM) is proposed for the interaction of a flexible body immersed in a fluid flow. The LS-IIM involves finite volume method for the fluid solver, Galerkin finite element method for the structural solver, and a block-iterative partitioned method–based fully implicit coupling between the two solvers. The novelty of the proposed method is a level set function–based direct implementation of fluid-solid interface boundary conditions in both the solvers. Another novelty is the computation of the level set function from a geometric method instead of differential equations commonly used in level set methods—the novel geometric as compared to the traditional method is found to be more accurate and less time-consuming. The LS-IIM is demonstrated as second-order accurate. Verification study is presented first separately for both the solvers and then together for four fluid-structure interaction (FSI) problems, with different levels of complexity including lid-driven flow, channel flow, and free-stream flow. Benchmark solutions are presented for two class of FSI problems: first, easy to set up and less time-consuming and, second, a reasonably challenging and complex FSI problem involving sharp edges and forced-motion of the flexible structure. The benchmark solutions are proposed at steady state for the first problem, after a verification study with two open-source solvers and, at periodic state, after a validation with published experimental results for the second problem. Our benchmark solutions may be useful for verification study in future.     

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.     

Study of velocity effects on parachute inflation performance based on fluid-structure interaction method

The inflation of a five-ring cone parachute with the airflow velocity of 18 m/s is studied based on the simplified arbitrary Lagrange Euler (SALE)/fluid-structure interaction (FSI) method. The numerical results of the canopy shape, stability, opening load, and drag area are obtained, and they are well consistent with the experimental data gained from wind tunnel tests. The method is then used to simulate the opening process under different velocities. It is found that the first load shock affected by the velocity often occurs at the end of the initial inflation stage. For the first time, the phenomena that the inflation distance proportion coefficient increases and the dynamic load coefficient decreases, respectively, with the increase in the velocity are revealed. The above proposed method is competent to solve the large deformation problem without empirical coefficients, and can collect more space-time details of fluid-structure-motion information when it is compared with the traditional method.     

Study on fluid-structure interaction in liquid oxygen feeding pipe systems using finite volume method

The fluid-structure interaction may occur in space launch vehicles,which would lead to bad performance of vehicles,damage equipments on vehicles,or even affect astronauts’ health.In this paper,analysis on dynamic behavior of liquid oxygen (LOX) feeding pipe system in a large scale launch vehicle is performed,with the effect of fluid-structure interaction (FSI) taken into consideration.The pipe system is simplified as a planar FSI model with Poisson coupling and junction coupling.Numerical tests on pipes between the tank and the pump are solved by the finite volume method.Results show that restrictions weaken the interaction between axial and lateral vibrations.The reasonable results regarding frequencies and modes indicate that the FSI affects substantially the dynamic analysis,and thus highlight the usefulness of the proposed model.This study would provide a reference to the pipe test,as well as facilitate further studies on oscillation suppression.     

近场水下爆炸瞬态强非线性流固耦合无网格数值模拟研究

近场水下爆炸涉及多相流体的掺杂耦合以及结构的大变形、损伤和断裂等瞬态强非线性现象, 传统的网格算法在模拟近场水下爆炸时面临结构网格畸变、多相界面捕捉精度不足等难题, 鉴于此, 本文建立了完全无网格的近场水下爆炸冲击波和气泡全物理过程瞬态强非线性流固耦合动力学模型. 流体采用基于黎曼求解器的光滑粒子流体动力学(SPH)方法求解, 结构采用重构核粒子法(RKPM)求解, 并基于法向通量边界条件实现流固耦合. 为提高SPH对流场间断的求解精度, 引入黎曼问题思想并结合MUSCL重构算法, 为解决流场粒子体积变化剧烈导致的精度下降问题, 应用了自适应粒子分割与合并方法. 为模拟水下爆炸对结构造成的损伤断裂, 基于退化实体几何表述, 采用Lemaitre损伤算法, 建立了RKPM壳结构断裂损伤模型. 依据所建立的SPH-RKPM流固耦合模型, 对近场水下爆炸冲击波传播、气泡脉动与射流以及结构毁伤进行了模拟, 将得到的冲击波载荷、气泡演化以及结构响应与实验值和其他数值解对比, 验证了当前建立的SPH-RKPM流固耦合模型的有效性和精度, 并给出了水下爆炸载荷特性及其对结构的流固耦合毁伤机制与规律, 旨在为近场水下爆炸载荷预报提供理论和基础性技术支撑, 为毁伤威力评估和舰船防护结构设计提供参考.      

A time-periodic approach for fluid-structure interaction in distensible vessels

The analysis of periodic unsteady incompressible flow inside compliant vessels is of considerable interest for the simulation of blood flow in arteries. Weakly coupled fluid-structure interaction (FSI) models seem to be most suitable for this purpose. For weakly coupled solution methods, however, often convergence may not be achieved for compliant vessels with an axial length scale that is large compared to the characteristic radius. In this study, a time-periodic method for weakly coupled FSI models is presented. Approximate solutions of subsequent time-periods are obtained using the solution of the previous time-period as an initial solution. For the first period, not only suitable boundary conditions are derived from a 1-D wave propagation model, but also the initial axial pressure distribution. The time-periodic method was successfully applied to straight, curved and bifurcating geometries. The new approach proves to have a far better computational stability than weakly coupled methods based on timestep-wise coupling, especially in vessels with a length that is an order of magnitude larger than the radius.