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自由液面大晃动的流固耦合数值分析方法研究进展 总被引：2，自引：0，他引：2
本文较为全面地评述了国内外对具有自由液面大晃动的流固耦合问题的研究。在第2节,以两种典型的工程问题（石油化工储液罐抗震性和提高机理问题和液态金属快中子增殖堆主容器流固耦合问题）为背景全面评述了这类流固耦合问题的有关研究进展;文章的第3节较为深入讨论了这类流固耦合问题中所采用的分析方法（包括解析方法、半解析方法和数值方法以及问题描述的ALE格式等）和分析模型（包括位移－位移模型和多种的位移－势模型等）;第4节首先从问题求解方面,说明了具有自由液面大晃动的流固耦合问题的性质和特点,然后讨论了交替求解方法及其对求解此类问题的特别适应性;最后,本文给出了这方面今后应进一步研究的问题。 相似文献
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数值流形方法(流形法)是石根华博士利用现代数学中流形分析的有限覆盖技术建立起来的新的数值分析方法,统一解决了连续和非连续变形的力学问题,具有广阔的应用前景.本文将流形法应用于交界面耦合的流固振动分析,采用平面矩形数学网格,针对无粘、无旋、不可压缩流体和无阻尼的固体结构,提出分析流固耦合系统简谐振动的高阶流形法公式,其中,采用拉格朗日乘子法引入流场的已知边界条件.本文还初步研究了在特殊的无限远流场中采用解析解覆盖函数的实现技术.文中算例体现了流形法网格划分的方便性和计算的高精度,显示出流形法在数值解和解析解联合运用上的优势. 相似文献
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针对不同流固耦合问题,提出一种基于任意拉格朗日--欧拉(ALE)有限元技术的分区强耦合算法. 运用半隐式特征线分裂算法求解ALE描述下的不可压缩黏性流体Navier-Stokes方程. 分别考虑一般平面运动刚体和几何非线性固体,采用复合隐式时间积分法推进结构运动方程,故可选用较大时间步长;进一步应用单元型光滑有限元法求解几何非线性固体大变形,获得更精确结构解且不影响计算效率. 运用子块移动技术结合正 交--半扭转弹簧近似法高效更新流体动网格;同时将一质量源项引入压力泊松方程满足几何守恒律,无需复杂构造网格速度差分格式. 采用简单高效的固定点法配合Aitken动态松弛技术实现各场耦合,可灵活选择先进单场求解技术,具备较好程序模块性. 运用本文算法分别模拟了H型桥梁截面颤振问题和均匀管道流内节气阀涡激振动问题. 研究表明,数值结果与已有文献数据吻合,计算精度和求解效率均令人满意. 相似文献
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ALE动网格法在流固耦合数值模拟中的应用 总被引：2，自引：0，他引：2
为了解决流固耦合问题中的物体大幅度运动带来的困难,采用ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)动网格方法跟踪自由表面上浮体的运动.计算表明:浮体在无粘流体中的垂荡与弹簧-物体的振动模型理论解符合得较好;浮体在粘性流体中的自由横摇为阻尼运动,其横摇角度随时间的增加而减小,且在不同初始角度下运动系统的固有周期相当.在有外力力矩激励时,外力力矩的周期与系统的固有周期相当时浮体横摇运动趋于共振状态,运动幅度最大.计算结果验证了计算程序的可靠性与精度.本文方法为ALE方法应用于流体-多浮体耦合运动分析奠定了基础. 相似文献
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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. 相似文献
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基于弱耦合分区求解策略,在CompaqVisualFortran6．5环境下搭建了薄膜结构三维流固耦合效应的CFD数值模拟平台。程序采用模块化编程思想,主要包含几何建模、流体分析、结构分析和数据交换四个模块。其中几何建模模块采用自行编制的膜结构找形分析程序,流体分析模块采用经过二次开发的计算流体力学软件FLUENT6．0,结构分析模块采用自行编制的膜结构动力分析程序MDLFX;在数据交换模块中,编制了基于薄板样条法的插值计算程序,以实现流固交界面上不同区域网格间的数据传递问题,编制了基于代数法和迭代法的动网格变形程序,以实现流固耦合运算中的动网格更新。基于该软件平台,对单向柔性屋盖和鞍形膜结构屋盖进行了流固耦合数值模拟,验证了方法的有效性。 相似文献
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采用弱耦合方法对激波作用下固体火箭发动机含缺陷药柱的流固耦合相互作用进行数值模拟。其中非定常流场采用基于任意拉格朗日-欧拉坐标系下的二维可压缩Euler方程进行描述,并采用格心格式的有限体积方法对方程进行离散求解;对激波冲击作用下含装药裂纹的固体位移场采用时域间断Galerkin扩展有限元法进行数值模拟,并对裂纹尖端动态应力强度因子进行计算。结果表明：激波在固体火箭发动机内装药裂缝传播过程中具有反射、绕射等现象,表现出高度非定常非线性的特点;同时流固耦合相互作用使得裂纹尖端位移场以及应力强度因子表现出振荡效应。
相似文献8.
对游动或飞行生物自主运动特性的深入研究,可促进仿生学的进一步发展。本文以\"C\"型游动鱼作为研究对象,建立了自主游动的柔性鱼模型。此模型较为真实地反映了鱼自主游动时鱼体内力(由鱼体肌肉收缩提供)、鱼体运动和外界流体之间的耦合作用。基于传统的反馈力方法和混合有限元浸入边界法对鱼的自主游动进行了数值模拟。分析了鱼自主游动启动阶段和巡游阶段流场特性及鱼体运动特征。模拟结果表明,受到鱼体自身组织结构和外界流场作用,鱼游动时通过呈\"C\"型和类\"S\"型的不断转换,以获取能量,实现鱼体自主游动。 相似文献
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凹坑表面活塞与缸套挤压润滑油的流固耦合数值模拟 总被引：2，自引：0，他引：2
在准油膜润滑条件下,采用Coupling Euler Lagrange(CEL)方法对凹坑表面活塞-缸套挤压润滑油过程进行了流固耦合数值模拟.润滑油动力学方程由Euler坐标系下的Navier-Stokes(N-S)方程来描述,活塞-缸套采用Lagrange坐标系下的线弹性力学方程来描述.罚函数约束方法将Lagrange结构的物理量传递给润滑油流体单元,实现流体和固体的直接耦合.仿真结果表明:CEL模型较好地追踪了挤压过程中润滑油的自由液面;凹坑表面裙部将润滑油挤压到贮油凹坑中,而光滑裙部只有挤压过程,无法贮存润滑油;随着润滑油的逐渐排出,接触应力逐渐增大,光滑裙部的接触应力增大尤为明显;凹坑中贮存的润滑油承载比稳定在0.3,该油膜具有一定的承载能力.数值模拟结果和试验数据的变化趋势吻合. 相似文献
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In this article, adaptive mesh refinement (AMR) is performed to simulate flow around both stationary and moving boundaries. The finite-difference approach is applied along with a sharp interface immersed boundary (IB) method. The Lagrangian polynomial is employed to facilitate the interpolation from a coarse to a fine grid level, while a weighted-average formula is used to transfer variables inversely. To save memory, the finest grid is only generated in the local areas close to the wall boundary, and the mesh is dynamically reconstructed based on the location of the wall boundary. The Navier-Stokes equations are numerically solved through the second-order central difference scheme in space and the third-order Runge-Kutta time integration. Flow around a circular cylinder rotating in a square domain is firstly simulated to examine the accuracy and convergence rate. Then three cases are investigated to test the validity of the present method: flow past a stationary circular cylinder at low Reynolds numbers, flow past a forced oscillating circular cylinder in the transverse direction at various frequencies, and a free circular cylinder subjected to vortex-induced vibration in two degrees of freedom. Computational results agree well with these in the literature and the flow fields are smooth around the interface of different refinement levels. The effect of refinement level has also been evaluated. In addition, a study for the computational efficiency shows that the AMR approach is helpful to reduce the total node number and speed up the time integration, which could prompt the application of the IB method when a great near-wall spatial resolution is required. 相似文献
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浸入边界法是模拟流固耦合的重要数值方法之一。本文采用反馈力浸入边界方法,对旋转圆柱和水轮机活动导叶旋转摆动绕流后的动边界流场进行数值模拟。其中,固体边界采用一系列离散的点近似代替,流体为不可压缩牛顿流体,使用笛卡尔自适应加密网格,利用有限差分法进行求解。固体对流场的作用通过构造适宜的反馈力函数实现。本文首先通过旋转圆柱绕流的计算结果同实验结果进行对比,吻合较好,验证了该计算方法的可靠性。然后针对水电站水力过渡过程中水轮机活动导叶旋转摆动绕流后的动边界流场进行数值模拟,得到导叶动态绕流后的流场分布特性和涡结构的演化特性。 相似文献
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根据投影浸入边界法分步投影求解的特点,同时针对压力泊松方程离散后的大型稀疏线性方程组是非奇异非对称的特点,结合开源函数库UMFPACK,在传递线性方程组的系数矩阵和右端向量时,采用函数库Eigen将系数矩阵的数据结构改写优化,大大降低了存储空间,实现对高维大型稀疏线性方程组的快速求解,同时求解保持良好的稳定性。本文首先利用一具有解析解的数值算例验证了求解泊松方程数值方法的准确性和网格依赖性,进而利用VC++编写投影浸入边界法的数值计算程序,以单圆柱绕流为基准数值算例,通过与其他文献和实验结果的对比,验证了投影浸入边界法数值计算结果的可靠性,并进一步分析了不同雷诺数下圆柱绕流的流场结构特征和尾涡结构的动态演化过程。 相似文献
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Highly nonlinear, turbulent, dynamic, fluid-structure interaction problems characterized by large structural displacements and deformations, as well as self-contact and topological changes, are encountered in many applications. For such problems, the Eulerian computational framework, which is often equipped with an embedded (or immersed) boundary method for computational fluid dynamics, is often the most appropriate framework. In many circumstances, it requires the computation of the time-dependent distance from each active mesh vertex of the embedding mesh to the nearest embedded discrete surface. Such circumstances include, for example, modeling turbulence using the Spalart-Allmaras or detached eddy simulation turbulence models and performing adaptive mesh refinement in order to track the boundary layer. Evaluating at each time step the distance to the wall is computationally prohibitive, particularly in the context of explicit-explicit fluid-structure time-integration schemes. Hence, this paper presents two complementary approaches for reducing this computational cost. The first one recognizes that many quantities depending on the wall distance are relatively insensitive to its inaccurate evaluation in the far field. Therefore, it simplifies a state-of-the-art algorithm for computing the wall distance accordingly. The second approach relies on an effective wall distance error estimator to update the evaluation of the wall distance function only when otherwise, a quantity of interest that depends on it would become tainted by an unacceptable level of error. The potential of combining both approaches for dramatically accelerating the computation of the wall distance is demonstrated with the Eulerian simulation of the inflation of a disk-gap-band parachute system in a supersonic airstream. 相似文献
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本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究, 采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟, 利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度, 同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性. 实验中, 采用水下放电技术生成气泡, 使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应. 首先对比数值与实验结果, 二者吻合良好, 验证了数值计算模型的有效性和正确性. 然后通过对气泡与浮体的无量纲距离$gamma_{s} $ (气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现: (1) $gamma_{s} $从0.2增大至2时, 气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究, 采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟, 利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度, 同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性. 实验中, 采用水下放电技术生成气泡, 使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应. 首先对比数值与实验结果, 二者吻合良好, 验证了数值计算模型的有效性和正确性. 然后通过对气泡与浮体的无量纲距离$gamma_{s} $ (气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现: (1) $gamma_{s} $从0.2增大至2时, 气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究, 采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟, 利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度, 同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性. 实验中, 采用水下放电技术生成气泡, 使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应. 首先对比数值与实验结果, 二者吻合良好, 验证了数值计算模型的有效性和正确性. 然后通过对气泡与浮体的无量纲距离$gamma_{s} $ (气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现: (1) $gamma_{s} $从0.2增大至2时, 气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究,采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟,利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度,同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性.实验中,采用水下放电技术生成气泡,使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应.首先对比数值与实验结果,二者吻合良好,验证了数值计算模型的有效性和正确性.然后通过对气泡与浮体的无量纲距离γ_s(气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现:(1)γ_s从0.2增大至2时,气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(0.2≤γ_s≤0.3)、接触射流(0.4≤γ_s≤0.6)、非接触射流(0.7≤γ_s≤1)、对射流(1.1≤γ_s≤1.3)和反射流(1.4≤γ_s≤2)等5种典型射流模式;(2)正射流速度随γ_s先增大后减小再增大,并且当0.7≤γ_s≤0.9时,速度可达约1000 m/s;反射流速度随γ_s增大而增大;(3)在本文实验条件下,γ_s1.5时浮体对气泡的Bjerknes吸引力强于自由液面的Bjerknes排斥力导致气泡在坍塌阶段向浮体迁移;当γ_s≥1.5时自由液面对气泡的排斥作用更强,气泡在坍塌阶段远离自由液面. 相似文献
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Raunak Borker Daniel Huang Sebastian Grimberg Charbel Farhat Philip Avery Jason Rabinovitch 《国际流体数值方法杂志》2019,90(8):389-424
Embedded Boundary Methods (EBMs) are often preferred for the solution of Fluid-Structure Interaction (FSI) problems because they are reliable for large structural motions/deformations and topological changes. For viscous flow problems, however, they do not track the boundary layers that form around embedded obstacles and therefore do not maintain them resolved. Hence, an Adaptive Mesh Refinement (AMR) framework for EBMs is proposed in this paper. It is based on computing the distance from an edge of the embedding computational fluid dynamics mesh to the nearest embedded discrete surface and on satisfying the y+ requirements. It is also equipped with a Hessian-based criterion for resolving flow features such as shocks, vortices, and wakes and with load balancing for achieving parallel efficiency. It performs mesh refinement using a parallel version of the newest vertex bisection method to maintain mesh conformity. Hence, while it is sufficiently comprehensive to support many discretization methods, it is particularly attractive for vertex-centered finite volume schemes where dual cells tend to complicate the mesh adaptation process. Using the EBM known as FIVER, this AMR framework is verified for several academic FSI problems. Its potential for realistic FSI applications is also demonstrated with the simulation of a challenging supersonic parachute inflation dynamics problem. 相似文献