三维液体非线性晃动动力学特性的数值模拟

主要讨论圆筒形贮腔中三维液体非线性晃动问题,将任意的拉格朗日-欧拉（即ArbitraryLagrangian-Eulerian,简称ALE）运动学描述引入到Navies-Stokes方程中,在时间域上采用一种速度和压力的分步计算格式进行时间离散;在空间域上利用Galerkin加权余量法对系统方程进行数值离散;得到了数值计算粘性不可压液体非线性晃动的ALE分步有限元法的计算格式,推导了三维液体自由液面上结点法向矢量的数值计算方法,模拟了圆筒形贮腔（包括带圆环形隔板的圆筒形贮腔）中三维液体的非线性晃动;并得到了一些重要的非线必不知所云 性,通过数值模拟结果与实验结果的比较,证明实了本文方法的可靠性与有效性。     

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。     

钢筋混凝土矩形贮液结构的液-固耦合晃动——弹性底板

针对小幅晃动的理想液体,根据钢筋混凝土矩形贮液结构的液-固耦合振动模型和数理方程理论,推导了结构内液体的速度势函数.针对Winkler弹性地基的情况,应用能量原理推导了钢筋混凝土矩形贮液结构液-固耦合晃动频率的计算公式.为便于工程应用,给出了钢筋混凝土矩形贮液结构液-固耦合晃动基本频率的计算公式.结合数值算例,讨论了混凝土弹性模量、基床系数、液体密度和底板的相对厚度等对钢筋混凝土矩形贮液结构液-固耦合晃动基本频率的影响,从而为以后工程结构中钢筋混凝土矩形贮液结构的设计计算提供了理论依据.     

钢筋混凝土矩形贮液结构的海固耦合晃动——弹性底板

针对小幅晃动的理想液体,根据钢筋混凝土矩形贮液结构的液-固耦合振动模型和数理方程理论,推导了结构内液体的速度势函数。针对winkler弹性地基的情况,应用能量原理推导了钢筋混凝土矩形贮液结构液-固耦合晃动频率的计算公式。为便于工程应用,给出了钢筋混凝土矩形贮液结构液-固耦合晃动基本频率的计算公式。结合数值算例,讨论了混凝土弹性模量、基床系数、液体密度和底板的相对厚度等对钢筋混凝土矩形贮液结构液-固耦合晃动基本频率的影响,从而为以后工程结构中钢筋混凝土矩形贮液结构的设计计算提供了理论依据。     

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．     

燃料大幅晃动等几何分析仿真及航天器耦合动力学研究

现代航天器肩负许多周期长且复杂的航天任务,通常需要携带大量的液体燃料.贮箱中液体燃料大幅晃动会严重影响航天器的姿态稳定性和控制精度,是现代航天器耦合动力学建模和精确控制研究的重要问题.本文提出了一种新的液体大幅晃动数值仿真方法,采用等几何分析方法对贮箱内气体和液体整体进行建模和空间离散,采用压力修正的分步法对控制方程进行时间离散,结合水平集方法划分气体和液体区域并且实时追踪液体晃动自由面.提出了一种质量修正方法以消除水平集函数演化产生的液体质量误差.基于燃料大幅晃动等几何分析仿真方法,对携带太阳能帆板的充液航天器进行动力学建模和耦合运动数值仿真.对于太阳能帆板的振动问题则采用Kirchhoff-Love板理论建模和模态分析法数值求解.通过将数值仿真结果与解析解对比,证明了本文给出方法的正确性.本文还对燃料大幅晃动下的航天器刚-液-柔耦合运动进行了数值仿真,发现液体晃动对航天器的姿态变化和结构振动的幅值和频率具有不可忽视的影响.     

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。     

大系统方法与部分充液系统的三轴稳定性分析

三轴稳定方式是近几年来应用通讯卫星通常采用的一种方式,在这里我们利用大系统方法分析了部分充液系统的三轴稳定性,并且对于文中选定的一种常用的力学模型给出了数值计算结果,由于问题本身比较复杂,为了使问题的研究工作能够继续下去,在推导过程中,我们假定将液体固化,而液体运动对稳定性的影响,则用一个近似的流体晃动力矩来模拟,这样,我们所讨论的问题得到了比较令人满意的结果,它比较符合实际的要求。     

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。     

密闭腔体声-结构耦合系统的动力灵敏度分析

以密闭空腔为对象,开展了声-结构耦合系统的动力分析和灵敏度计算,为系统性态优化设计提供理论和算法基础。分别把结构和声场进行离散化,推导了声-结构耦合系统的有限元方程,求解了耦合系统的频率和声压级响应。在此基础上,以结构尺寸为设计变量,计算了耦合系统的固有频率和声压级响应的灵敏度,解决了声-结构耦合系统动力灵敏度的数值算法问题。     

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.     

Fluid–structure interaction modelling of nonlinear aeroelastic structures using the finite element corotational theory

The application of the finite element corotational theory to model geometric nonlinear structures within a fluid–structure interaction procedure is proposed. A dynamic corotational approximately-energy-conserving algorithm is used to solve the nonlinear structural response and it is shown that this algorithm's application with a four-node flat finite element is more stable than the nonlinear implicit Newmark method. This structural dynamic algorithm is coupled with the unsteady vortex-ring method using a staggered technique. These procedures were used to obtain aeroelastic results of a nonlinear plate-type wing subjected to low speed airflow. It is shown that stable and accurate numerical solutions are obtained using the proposed fluid–structure interaction algorithm. Furthermore, it is illustrated that geometric nonlinearities lead to limit cycle oscillations.     

Reduced order modelling method via proper orthogonal decomposition (POD) for flow around an oscillating cylinder

This paper presents reduced order modelling (ROM) in fluid–structure interaction (FSI). The ROM via the proper orthogonal decomposition (POD) method has been chosen, due to its efficiency in the domain of fluid mechanics. POD-ROM is based on a low-order dynamical system obtained by projecting the nonlinear Navier–Stokes equations on a smaller number of POD modes. These POD modes are spatial and temporally independent. In FSI, the fluid and structure domains are moving, owing to which the POD method cannot be applied directly to reduce the equations of each domain. This article proposes to compute the POD modes for a global velocity field (fluid and solid), and then to construct a low-order dynamical system. The structure domain can be decomposed as a rigid domain, with a finite number of degrees of freedom. This low-order dynamical system is obtained by using a multiphase method similar to the fictitious domain method. This multiphase method extends the Navier–Stokes equations to the solid domain by using a penalisation method and a Lagrangian multiplier. By projecting these equations on the POD modes obtained for the global velocity field, a nonlinear low-order dynamical system is obtained and tested on a case of high Reynolds number.     

二维弹性结构入水冲击过程中的流固耦合效应

描述了一个研究弹性结构入水冲击过程中水弹性效应的数值方法,在弹性结构入水冲击过程中,流体域作用在结构上的水动力载荷由边界元法获得,而结构的弹性动力响应则由有限元方法求解,通过线性给离散Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ方程将有限元方程和边界元方程耦合到一起,从而获得了求解流场和结构动力响应的相互耦合的运动方程。在数值考虑了自由表面的非线性边界条件,通过引入射流单元以及最大射流厚度,较好地处理了冲击引起的射流问题。     

Coupled MPS-modal superposition method for 2D nonlinear fluid-structure interaction problems with free surface

In this paper, a coupled MPS-modal superposition method is developed for 2D nonlinear fluid-structure interaction problems. In this method, the rigid-body and relatively small elastic deformation are coupled together, which considers the mutual effect between them. The elastic deformation of the structure is represented by a mode superposition formulation, which is more efficient compared with FEM, regardless of the size of the structure. For 2D cases, if the first three modes are chosen to represent the flexible deformation of the structure, it only results in a 6×6 matrix equation to be solved. For the fluid motion, the modified Moving Particle Semi-implicit (MPS) method, which significantly reduces the fluctuation of pressure calculation of the original MPS method, is used.Two nonlinear problems, i.e. breaking-water-dam impacting a floating beam and flexible wedge slamming into the water are simulated to demonstrate the performance of the developed method. The numerical simulations show that this coupling model is capable of providing stable results that are generally in good agreement with the available experimental data. For the highly nonlinear case with very large rigid motions, the mutual effect between elastic deformation and rigid motions could accumulate to a relatively remarkable level shown by the curves of trajectories or acceleration history of the body mass centre. This also indicates the importance of mutual effect to analyse highly nonlinear FSI problems with large rigid-body motions and relatively small flexible deformation.     

任意拉格朗日—欧拉描述法研究进展

任意拉格朗日描述综合了纯拉格朗日和纯欧拉描述的优点，克服了各目的缺点，成为非线性连续介质力学中大变形分析的非常有效的方法。本文论述了ＡＬＥ法的研究进展及其在流动流体动力学、流体－结构相互作用、加工成型、碰撞、接触等大变形问题中的应用。     

Vortex structure simulation for supersonic mixing layers using nonlinear PSE method

The method of nonlinear parabolized stability equations (PSE) is applied in the simulation of vortex structures in compressible mixing layer. The spatially-evolving unstable waves, which dominate the vortex structure, are investigated through spatial marching method. The instantaneous flow field is obtained by adding the harmonic waves to basic flow. The results show that T-S waves do not keep growing exponentially as the linear evolution, the energy transfer to high order harmonic modes, and that finally all harmonic modes get saturated due to nonlinear interaction. The mean flow distortion induced by the nonlinear interaction between the harmonic modes and their conjugate harmonic ones, makes great change of the average flow and increases the thickness of mixing layer. PSE methods can well capture the two- and three-dimensional large scale nonlinear vortex structures in mixing layers such as vortex roll-up, vortex pairing, and Λ vortex.     

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。     

Developments of numerical methods for linear and nonlinear fluid-solid interaction dynamics with applications

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.