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...     

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。     

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。     

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...     

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．     

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.     

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.      

基于特征分裂有限元准隐格式的共轭传热整体耦合数值模拟方法

共轭传热现象在科学和工程领域中大量存在.随着计算能力的发展,对共轭传热现象进行准确有效的数值模拟,成为科学研究和工程设计上的重要挑战.共轭传热数值模拟的方法可以分为两大类:分区耦合和整体耦合.本文采用有限元法对共轭传热问题进行整体耦合模拟.固体传热求解采用标准的伽辽金有限元方法.流动求解采用基于特征分裂的有限元方法.该...     

Semiclosed-form solution for static nonlinear analysis of extensible cables

The analysis of a cable deforming under statically applied body forces leads to a series of differential equations that are inherently nonlinear due to coupling of geometry and loading. These equations have been solved by nonlinear finite element technique, finite difference formulation, or a two-step shooting method. However, a semiclosed-form solution is presented herein in which the governing differential equations are integrated to yield exact expressions for the unknown cable forces and the parameters defining the geometry of the loaded cable. The formulation presented herein is capable of taking care of the large sag and deformation in the cable without employing any numerical solution procedure.     

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.     

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。     

基于能量平衡原理的有限单元耦合方法

结构非线性数值计算分析应真实反映局部损伤破坏细节,以作为损伤演化全过程分析的依据。对同类构件,有限单元耦合方法可以解决破坏细节与整体模拟的空间尺度差异问题。基于能量平衡原理,建立了梁与实体单元、梁与壳单元以及壳与实体单元的耦合方程,适用于结构的损伤数值计算。对某RC框架结构原位推覆试验的损伤数值分析表明,有限单元耦合模型能正确反映整体结构的承载力和变形性能,并且能准确反映局部损伤破坏细节。     

Variational Lagrangian-thermodynamics of nonisothermal finite strain mechanics of porous solids and thermomolecular diffusion

The nonisothermal finite strain dynamics of a porous solid containing a viscous fluid is developed on the basis of a new thermodynamics of open systems and irreversible processes. The same theory is applicable to the mechanics of a nonporous solid with thermomolecular diffusion of a substance in solution. New fundamental concepts of “thermobaric” and “convective” potentials are presented in the context of porous solids. Field equations and Lagrangian equations with generalized coordinates are derived directly from a variational principle of “virtual dissipation”. Inclusion of nonlinear viscoelasticity and plastic behavior is indicated. Partial saturation of pore fluid is discussed. The theory is applicable to the mechanics of a non porous solid with thermolecular diffusion of several molecular species in solution, and under certain conditions to the analogous case of a porous solid containg a fluid mixture. It is shown how the Lagrangian equations provide the foundation of finite element methods.     

An efficient parallel and fully implicit algorithm for the simulation of transient free-surface flows of multimode viscoelastic liquids

The parallelization of a fully implicit and stable finite element algorithm with relative low memory requirements for the accurate simulation of time-dependent, free-surface flows of multimode viscoelastic liquids is presented. It is an extension of our multi-stage sequential solution procedure which is based on the mixed finite element method for the velocity and pressure fields, an elliptic grid generator for the deformation of the mesh, and the discontinuous Galerkin method for the viscoelastic stresses [Dimakopoulos and Tsamopoulos [12], [14]]. Each one of the above subproblems is solved with the Newton–Rapshon technique according to its particular characteristics, while their coupling is achieved through Picard cycles. The physical domain is graphically partitioned into overlapping subdomains. In the process, two different kinds of parallel solvers are used for the solution of the distributed set of flow and mesh equations: a multifrontal, massively parallel direct one (MUMPS) and a hierarchical iterative parallel one (HIPS), while viscoelastic stress components are independently calculated within each finite element. The parallel algorithm retains all the advantages of its sequential predecessor, related with the robustness and the numerical stability for a wide range of levels of viscoelasticity. Moreover, irrespective of the deformation of the physical domain, the mesh partitioning remains invariant throughout the simulation. The solution of the constitutive equations, which constitutes the largest portion of the system of the governing, non-linear equations, is performed in a way that does not need any data exchange among the cluster's nodes. Finally, indicative results from the simulation of an extensionally thinning polymeric solution, demonstrating the efficiency of the algorithm are presented.     

流固耦合地震波动问题的显式谱元模拟方法

流固耦合地震波动问题主要研究由流体和固体构成的复杂系统中地震波传播特性及其规律. 传统模拟方法中一般以声波方程、弹性波方程的数值解分别描述理想流体和弹性固体中的波动, 并实时地处理两种不同性质介质之间的相互耦合作用, 数值格式复杂且限制数值模拟精度与计算效率. 本文采用谱元法结合多次透射公式人工边界条件实现了一种流固耦合地震波动问题的高阶显式数值计算方法. 该方法利用了流固耦合问题统一计算框架,可将饱和多孔介质的Biot波动方程分别退化为理想流体的声波方程和弹性固体的弹性波方程. 通过P波垂直入射的水平成层理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型、P波斜入射的不规则层状界面以及任意形状界面的理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型等三个算例, 与传递函数法解析解以及集中质量有限元法计算结果进行对比分析, 证明了本文方法的正确性与有效性. 数值模拟结果表明, 本文方法相较传统有限元法可以少得多的节点数量获得更高的数值精度, 并且在较宽的频率范围内都能可靠地模拟出流固耦合系统的动力响应, 充分体现出本文方法兼顾高精度、计算效率和复杂场地建模灵活的特点.      

A parallel monolithic algorithm for the numerical simulation of large‐scale fluid structure interaction problems

A novel parallel monolithic algorithm has been developed for the numerical simulation of large‐scale fluid structure interaction problems. The governing incompressible Navier–Stokes equations for the fluid domain are discretized using the arbitrary Lagrangian–Eulerian formulation‐based side‐centered unstructured finite volume method. The deformation of the solid domain is governed by the constitutive laws for the nonlinear Saint Venant–Kirchhoff material, and the classical Galerkin finite element method is used to discretize the governing equations in a Lagrangian frame. A special attention is given to construct an algorithm with exact total fluid volume conservation while obeying both the global and the local discrete geometric conservation law. The resulting large‐scale algebraic nonlinear equations are multiplied with an upper triangular right preconditioner that results in a scaled discrete Laplacian instead of a zero block in the original system. Then, a one‐level restricted additive Schwarz preconditioner with a block‐incomplete factorization within each partitioned sub‐domains is utilized for the modified system. The accuracy and performance of the proposed algorithm are verified for the several benchmark problems including a pressure pulse in a flexible circular tube, a flag interacting with an incompressible viscous flow, and so on. John Wiley & Sons, Ltd.