线性与非线性流固耦合动力学数值方法的进展及应用

本文综述了线性与非线性流固耦合问题数值方法的进展及工程应用。讨论了四种数值分析方法：(1)混合有限元–子结构–子区域数值模型,以求解有限域线性流固耦合问题,如流体晃动,声腔–结构耦合,流体中的压力波,化工容器的地震响应,坝水耦合等;(2)混合有限元–边界元数值模型,以求解涉及无限域的线性流固耦合问题,如大型浮体承受飞机降落冲击,船舰的炮击回应等;(3)混合有限元–有限差分(体积)数值模型,以求解不涉及破浪和两相分离的非线性流固耦合问题;(4)混合有限元–光滑粒子数值模型,以求解涉及破浪和两相分离的非线性流固耦合问题。文中推荐分区迭代求解过程,以便应用现有的固体及流体求解器,于毎一时间步长分别求解固体及流体的方程,通过耦合迭代收敛,向前推进以达问题求解。文中选用的工程应用例子包含气–液–壳三相耦合,液化天然气船水晃动,人体步行冲击引起的声腔–建筑结构耦合,大型浮体承受飞机降落冲击的瞬态动力回应,涉及破浪和两相分离的气–翼耦合及结构于水上降落的冲击。数值分析结果与可用的实验或计算结果作了比较,以说明所述方法的精度及工程应用价值。文中列出了基于流固耦合的波能采积装置模型,以应用线性系统的共振及非线性系统的周期解原理,有效地采积波能。本文列出了231篇参考文献,以便读者进一步研讨所感兴趣方法。     

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。     

双重孔隙介质非线性流固耦合渗流

本文给出了考虑双孔双涌介质生变形的流固耦合渗流模型。不仅考虑了固结对渗流的影响,同时也考虎了固体变形对渗流参数（孔隙度和渗透率）的影响。这样。渗流就成了双孔双渗介质中非线性流固耦合渗流。在此基础上,本文还推导了双重孔隙介质非线性流固耦合渗流计算。给出了算例并作了对比。结果表明,固体变形引起的介质参数变化对流体渗流早中期过程有重要的影响,对渗流后期影响并不大。这对于石油开采有重要的参考价值。     

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.      

基于XFEM-MBEM的嵌入式离散裂缝模型流固耦合数值模拟方法

离散缝网的表征与模拟是目前国内外研究的热点. 在非常规油气开发过程中, 由于地应力场的存在会对裂缝的流动属性产生显著影响, 若将裂缝视为静态对象, 与矿场数据会出现极大偏差, 因此要基于动态裂缝做更深入的研究. 本文针对致密油藏应力场?渗流场耦合力学问题, 提出了一种高效的混合数值离散化方法, 其中采用扩展有限元法 (XFEM) 求解岩石的弹性形变, 采用了混合边界元法 (MBEM) 精确计算基岩与裂缝间的非稳态窜流, 这两种数值格式是完全耦合的, 并对整体计算格式的时间项进行了全隐式求解, 可准确表征致密油藏开采过程中的裂缝变形及流体流动机理. 此外, 本文采用了嵌入式离散裂缝前处理算法显式表征大尺度水力压裂缝, 并考虑了支撑剂的作用; 采用了双孔有效应力原理和双重介质隐式裂缝表征方法, 可捕捉基质与小尺度天然裂缝的动态信息; 由此, 本文所提出的混合模型综合表征了基质?天然裂缝?水力压裂缝共同组成的致密油藏复杂渗流环境, 并通过几个实例论证了模型的准确性, 研究表明: 对致密油藏压裂水平井进行产能评价时, 应力场所引起渗流参数的改变及裂缝开度降低的影响不可忽略. 本文研究可为非常规油气资源的开发提供理论指导.      

薄膜结构流固耦合的CFD数值模拟研究

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。     

非线性动力学系统全局分析之外的胞映射方法新发展（英文）

在20世纪80年代由徐皆苏教授创建的胞映射方法一直受非线性科学界同仁的欢迎.近几年胞映射方法有了许多新的应用和算法.本文介绍了一些控制应用和算法的文献.另外,还介绍和讨论胞映射方法应用与多目标优化问题的研究和方法,多目标优化控制设计和非线性代数方程找零解.文中指出胞映射方法在并行计算的帮助下,现在可以解决中等高维空间中的各类问题,新的应用还会不断出现.     

数值模拟界面流方法进展

用数值模拟方法研究界面流,对于工程设计和理论分析复杂流动都是非常重要的.单纯用现有的高分辨格式无法清晰定出流体界面,故此对界面必须进行特殊的处理,例如界面跟踪(front tracking)方法．本文对界面流的各种数值模拟方法进行了综述．这些方法包括锋面跟踪法、移动网格法、基於粒子法、边界积方法、连续对流格式、体积跟踪方法和水平集的方法．我们着重介绍了现阶段处理流体界面问题使用较多的方法:体积跟踪方法和水平集方法．同时我们也对各种方法的优缺点作了评述.      

MPS-FEM数值分析带自由面的流固耦合问题

随着计算科学的发展,研究人员为探索流固耦合问题的物理机理而提出了众多的数值方法。其中,耦合的移动粒子半隐式方法 MPS(Moving Particle Semi-Implicit method)和有限单元法FEM(Finite Element method)为流固耦合问题的数值仿真工作提供了新的途径。本文所有流场的数值模拟工作均采用课题组自主开发的无网格法求解器MLParticle-SJTU来完成。该求解器在原始的MPS法基础上,对核函数、压力梯度模型、压力泊松方程的求解和自由面判断方式等方面进行了改进。此外,在该求解器框架内,基于FEM法拓展了针对结构场进行求解的功能。首先,对MPS和FEM方法的理论模型及其耦合策略进行了介绍。然后,采用该自研MPS-FEM耦合求解器,数值模拟了溃坝流动对弹性结构的冲击及其相互作用的标准问题。通过将结构变形及自由面波型变化等结果与已发表结果进行对比,验证了该求解器在处理带自由面剧烈变化的粘性流体和柔性变形结构的耦合作用问题上的可行性。     

管道流固耦合振动的行波方法研究

应用波动方法分析载流管道流固耦合振动问题。采用直梁模型，推导了管道流固耦合系统的轴向、横向波导方程及平面管系的坐标转换矩阵，通过节点位移连续和力平衡条件建立了耦合系统的散射模型。最终分析了两种耦合对载流管道振动的影响机理及流速变化对管道振动稳定性的影响。数值算例表明本文方法的正确性及有效性。     

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。     

三维非线性有限元与弹性边界元耦合数值方法

本文系统地讨论了以下三个问题:(1) 有限元与边界元耦合中的几个数值问题,其中包括:边界积分方程的凝聚、等效刚度矩阵的对称化及面力不连续的处理;(2) 弹塑性有限元与弹性边界元的耦合;(3) 弹粘塑性有限元与弹性边界元的耦合及数值计算稳定性条件。     

裂缝性低渗透油藏流-固耦合理论与数值模拟

根据裂缝性低渗油藏的储层特征,建立适合裂缝性砂岩油藏渗流的等效连续介质模型。将渗流力学与弹塑性力学相结合,建立裂缝性低渗透油藏的流-固耦合渗流数学模型,并给出其数值解.通过数值模拟对一实际井网开发过程中孔隙度、渗透率的变化以及开发指标进行计算,并和刚性模型以及双重介质模型的计算结果进行了分析比较.     

人内耳前庭系统膜迷路流固耦合数值模拟

基于健康志愿者右侧颞骨完整的组织切片数据,将人内耳前庭系统膜迷路内内淋巴液描述成不可压缩牛顿流体,将位于膜迷路壶腹端的平衡感受器壶腹嵴视为大变形线弹性材料,数值模拟人在立位转身、回顾时膜迷路内复杂的流固耦合作用,建立了内耳前庭系统膜迷路的三维有限元生物力学模型,分别得到不同旋转速度激励内淋巴液的压强场和壶腹嵴的位移场. 研究结果有助于从生物力学的角度定量分析人在旋转时前庭膜迷路内内淋巴液和壶腹嵴相互作用的力学特性.      

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.     

带有柔性薄板三维方柱流固耦合的数值模拟研究

采用双向流固耦合方法,对带有柔性薄板三维方柱的流场变化特性进行了研究。通过对比单方柱,分析了带有柔性薄板三维方柱阻力系数、升力系数以及斯特劳哈尔数的变化规律。研究表明,在方柱尾流区域附加一柔性薄板可以使其阻力系数降低34.6%,同时其变化幅值大大减小;其升力系数的均方根减小84.8%,流场脉动大幅度减小;斯特劳哈尔数降低79.5%。研究结果表明,在三维方柱后设置柔性薄板可有效抑制涡脱落,从而改善三维方柱的尾流特性。     

入水问题的Euler-Lagrange流固耦合数值模以技术研究

针对结构入水过程的特点,建立了一种把Eulerian计算过程和Lagrangian计算过程耦合起来的数值技术,编写了计算程序,把结构对水作用的过程和结构动力学响应过程的计算结合起来,实现了结构与水之间流固耦合作用过程的模拟.其中水、空气的运动利用Eulerian过程的流体弹塑性有限差分计算程序进行模拟,结构的运动变形利用Lagrangian过程的结构动力学有限元计算程序模拟结构响应.通过板入水问题的计算结果与商业软件计算结果进行比较,验证了计算方法对流固间相互作用处理的正确性.本文计算程序可用于一般入水问题的结构响应-流场运动分析中.     

微细三角柱流固耦合动态特性的三维数值研究

在三维双向流固耦合计算基础上使用动网格方法,通过求解不可压缩粘性流体的N-S方程,数值研究了低速流速下(2.5m/s~15m/s)气体绕流微细三角钝体的耦合动态特性及涡激振动特性,得到了运动微细三角柱的升力系数、涡脱频率和振动振幅。观测到了微细三角柱的"锁振"和"拍"现象。接着计算了相同流场条件下的相同尺寸二维三角柱双向流固耦合涡激振动,并将结果与文献及本文中三维模型进行对比发现,三维模型的升力系数的平均幅值、涡脱频率和斯特劳哈尔数较之本文及文献中的二维数值模型较小。     

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。