基于ALE有限元法的流固耦合强耦合数值模拟

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.      

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.     

多场耦合求解非线性气动弹性的研究综述

非线性气动弹性分析中,涉及到非线性流体动力学和非线性结构动力学的耦合问题.阐述了国内外应用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)/计算结构动力学(computational structural dynamics,CSD)耦合求解技术来处理非线性气动弹性问题的研究现状,全面分析了流体域和结构域的非线性特征模拟技术、高效网格运动策略、耦合界面相容性条件、耦合计算效率及降阶技术、气动弹性实验及算法验证、多学科耦合求解等关键技术,总结了相关最新研究的方法和成果, 对比分析了其优缺点并提出了展望.      

求解三维流固耦合问题的一种全隐全耦合区域分解并行算法

三维流固耦合问题的非结构网格数值算法在很多工程领域都有重要应用, 目前现有的数值方法主要基于分区算法, 即流体和固体区域分别进行求解, 因此存在收敛速度较慢以及附加质量导致的稳定性问题, 此外, 该类算法的并行可扩展性不高, 在大规模应用计算方面也受到一定限制．本文针对三维非定常流固耦合问题, 提出一种基于区域分解的全隐全耦合可扩展并行算法．首先基于任意拉格朗日?欧拉框架建立流固耦合控制方程, 然后时间方向采用二阶向后差分隐式格式、空间方向采用非结构稳定化有限元方法进行离散．对于大规模非线性离散系统, 构造一种结合非精确Newton法、Krylov子空间迭代法与区域分解Schwarz预条件子的Newton-Krylov-Schwarz (NKS) 并行求解算法, 实现流体、固体和动网格方程的一次性整体求解．采用弹性障碍物绕流的标准测试算例对数值方法的准确性进行了验证, 数值性能测试结果显示本文构造的全隐全耦合算法具有良好的稳定性, 在不同的物理参数下具有良好的鲁棒性, 在“天河二号”超级计算机上, 当并行规模从192增加到3072个处理器核时获得了91%的并行效率．性能测试结果表明本文构造的NKS算法有望应用于复杂区域流固耦合问题的大规模数值模拟研究中．      

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显式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-结构耦合均衡的分区算法。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。     

非线性流体-刚体结构相互作用问题的一种数值模拟方法

给出了一种模拟非线性流体-刚体结构相互作用问题的数值方法．文中假定结构承受大的刚体运动,流体流动受非线性有粘或无粘的场方程支配并满足自由表面和两相耦合界面上的非线性边界条件,利用任意拉氏-欧氏（ALE）网格系统构造了数值模型．采用所探讨的多块数值格式,允许可动重造网格间有独立的相对运动,从而克服了流体网格与固体大运动匹配的困难．通过数值离散化,导出了描述非线性流固耦合动力学的数值方程并应用耦合迭代过程对其作了求解．通过算例,说明了所提出数值模型的应用．     

考虑固体域几何非线性的固液耦合系统瞬态有限元分析

本文基于理想可压缩流体压力传输方程及增量型ＴｏｔａＩＬａｇｒａｎｇｉａｎ列式，建立了考虑固体域几何非线性的固液耦合系统有限元方程，并开展了非线性分析工作。本文的方法可用于流体域远大于固体域，从而可仅仅研究固体域非线性响应的情况。由于流体域每个节点仅有一个未知量（压力），故流体域的计算规模得以大大减缩。同时，因为本文方法仅需对固体域进行非线性分析，故显著地简化了固液耦合非线性问题的求解工作。本文的方法亦可用于三维分析。     

基于同步交替法求解流体-弹性板耦合作用

基于预测-多步校正方法提出了流固耦合同步交替求解方法.采用ALE描述流固耦合问题.基于SUPG有限元对流体动量方程进行空间离散,以消除对流项引起的数值振荡.时间域上的积分采用预测-多步校正(predictor-multicorrector)方法.对流体和结构同时进行预测,在多步校正的过程中对流体和固体域动力学方程进行交替求解,从而在时间上达到同步推进.基于上述同步交替法,编程计算了流体-弹性板耦合作用问题,取得了良好的数值计算结果.     

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.      

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.     

圆筒内旋转细长管与流体界面耦合的数值方法

圆筒内旋转细长管是石油钻采工程中特有结构,细长管不仅与圆筒发生碰撞接触,还与管内流体和管外环空流体耦合,是一个复杂的非线性流固耦合系统。细长管固体域离散成梁单元,采用非线性碰撞接触动力学方程描述;管内外流体离散成六面体单元,采用计算流体动力学方程描述,在耦合界面处用任意拉格朗日欧拉法动网格来处理运动界面。根据梁单元位移...     

基于不同时间步长时域非结构有限体积法模拟声-弹性耦合问题

介绍一种改进的时域非结构有限体积法(FVM),并将其应用于声-弹性耦合问题。在流体与固体介质中分别求解声波动方程与弹性波方程,根据交界面上的力平衡与质点振速连续条件考虑二者的相互作用。同时考虑双线性四边形单元的线性变化项及常数项,并结合常应变三角形单元处理混合网格问题。分别对三角形单元和四边形单元进行色散分析,给出声波动方程的稳定性条件。在不同介质中采用不同时间步长,提高计算效率。求解弹性波问题、声-弹性耦合问题,结果表明,改进后的方法求解声-弹性耦合问题是有效和准确的,并且具有良好的数值稳定性。     

海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架

海底地震动的模拟以及海洋工程结构的地震反应分析中,涉及到海水、饱和海床、弹性基岩、结构之间的相互耦合.传统的方法分别采用声波方程描述理想流体、Biot方程描述饱和海床、弹性波方程描述基岩和结构,分别考虑相互之间的耦合,十分不便.本文基于理想流体、固体分别为饱和多孔介质的特殊情形(孔隙率分别为1和0),由饱和多孔介质的Biot方程可退化得到理想流体的声波方程和固体的弹性波方程.然后,以饱和多孔介质方程为基础,经集中质量有限元离散,考虑不同孔隙率的饱和多孔介质之间耦合的一般情形,建立了该耦合情形的求解方法.进一步论证了该一般情形的耦合计算方法可分别退化到流体与固体、流体与饱和多孔介质、固体与饱和多孔介质之间的耦合计算,从而将流体、固体、饱和多孔介质间的耦合问题纳入到统一计算框架,并编制了相应的三维并行分析程序.以P-SV波垂直入射时,半无限层状海水-饱和海床、海水-弹性基岩、海水-饱和海床-弹性基岩三种情形的动力分析为例,采用统一计算框架结合透射边界条件进行求解,并与传递矩阵方法得到的解进行对比,验证了该统一计算框架的有效性以及并行计算的可行性.      

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.     

AN APPLICATION OF THE CBS SCHEME IN THE FLUID-MEMBRANE INTERACTION

提出了一种不可压缩流体与弹性薄膜耦合问题的特征线分裂有限元解法. 首先, 给出了流场和结构的控制方程. 然后, 对流场、结构以及流固耦合的具体求解过程进行了描述. 其中, 流场求解采用改进特征线分裂方法和双时间步方法相结合的隐式求解方式, 并利用艾特肯加速法对每个时间步的迭代收敛过程进行了加速处理;结构部分的空间离散和时间积分分别采用伽辽金有限元方法和广义方法, 并通过牛顿迭代法对所得非线性代数方程组进行了求解;流场网格的更新采用弹簧近似法;流场、结构两求解模块之间采用松耦合方式.最后, 采用该方法对具有弹性底面的方腔顶盖驱动流问题进行了求解, 验证了算法的准确性和稳定性.此外, 计算结果表明艾特肯加速法可以显著地提高双时间步方法迭代求解过程的收敛速度.     

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。     

面向对象的土石坝参数随机反演程序设计

将储液容器流固耦合系统中的液体和容器分别视为理想可压缩流体和线弹 性固体，采用流体压力单元和固体壳单元对流固耦合系统进行有限元离散，得到一个非对称 的大型流固耦合有限元方程. 采用Arnoldi方法求解上面这个大型有限元方程的非对称特征 值问题，以得到储液容器的动力特性. 通过移频技术避免了处理零频问题，并构造了迭代格 式计算Arnoldi向量. 数值算例表明所用解法对于流固耦合系统都是非常有效的.     

充液系统液体-多体耦合动力响应分析

提出了充液系统的液体-多体耦合力学模型，基于ALE有限元法和多体系统动力学理论，发展了液体-多体耦合动力响应分析的一种有效方法. 对于液体子系统，将其运动分解为随同贮箱的大位移运动和相对贮箱的大幅晃动，引入贮箱固连参考系中的任意拉格朗日-欧拉(ALE)运动学描述，建立了贮箱固连非惯性参考系中液体的ALE有限元方程，对液体有限元方程的缩聚大大减少了液体子系统的计算规模. 为了计及液体阻尼的影响，引入了液体修正的Rayleigh阻尼，避免了伪阻尼力的出现. 对于多体子系统，应用多体系统动力学理论建立动力学方程. 在此基础上详细导出了液体-多体耦合动力学方程，并采用预估-多重校正算法(PMA)和时间步长控制算法进行迭代求解，既保证了迭代收敛，又提高了计算效率. 所给算例成功求解了液体运输车辆系统的液体-多体耦合动力响应，深入分析了有关参数对系统动力响应的影响，获得了一些结论.     

基于ALE算法的V形楔形体入水的水动力特性分析

结构入水问题是一种复杂的流固耦合过程,涉及到固体力学、流体力学、冲击动力学和计算力学等相关力学分支的交叉与融合.论文基于非线性显式动力分析方法,采用任意拉格朗日-欧拉算法(水域采用欧拉描述,固体结构采用拉格朗日描述),并用罚函数方法控制结构与流体之间的耦合作用,对二维V形楔形体垂直入水的初期过程进行了数值仿真.通过数值仿真,分析了楔形体底部压力分布情况,讨论了网格密度、接触刚度以及阻尼系数对数值计算结果的影响,并将数值结果与Wagner理论解进行了对比分析,验证了ALE方法的可靠性.     

刚弹耦合的机器人机构动力学方程及其解

本文给出了一般开链弹性机器人机构动力学方程。该方程是由关节广义坐标和杆件模态坐标联立的非线性微分方程组。对方程的刚性性质作了讨论,根据Rosenbrock的二级二阶半隐式Runge—Kutta公械,导出了一种求解弹性机器人机构动力学方程的算法。对一平面二杆操作手机构作了计算。对该例同时也用Gill方法作了计算,验证了上述算法的精度和效率。