基于虚拟流体方法数值模拟作用在水—弹性固体界面的强激波（英文）

文章对强激波与水—弹性固体界面的相互作用进行了数值模拟。基于欧拉方程和弹性动力学方程推导了一个用于处理流固界面的近似黎曼关系。耦合流体区域的欧拉网格和固体区域的拉格郎日网格,用水平集方法追踪流固界面的位置。并分别用五阶WENO和双特征线格式离散流体控制方程和固体控制方程及捕捉强激波在流体和固体中的传播。流固界面附近的网格节点用虚拟流体方法求解。文中还将数值结果和强激波作用在水—固壁界面,水—可压缩固体界面得到的结果进行了对比分析及验证。数值模拟结果也表明了推导的近似黎曼关系和虚拟流体方法可很好地适用于水—弹性固体耦合问题。     

基于有限元法的流体与结构的耦合研究

对有限元法离散流固耦合方程进行了简要的介绍,给出了粘性流体与弹性结构的全耦合模型。流体采用k-ε湍流模型进行了有限元计算,采用ALE描述实现固体Lagrangian描述到流体Eulerian描述的过渡,使大变形带来的流体域网格畸变得以避免。对流固耦合方程,采用流固全耦合的迭代算法进行了迭代求解,最后模拟了高雷诺数下湍流流动中冲击致使涡轮结构旋转的过程。计算结果表明,流固耦合的算法是可靠的。     

Research developments in numerical methods of fluid-structure interactions in naval architecture and ocean engineering北大核心CSCD

流固耦合问题较为复杂,通常难以通过理论推导求得,而数值模拟则能提供一种有效的解决方案,并被广泛用于船舶与海洋工程领域。流固耦合数值方法根据其网格离散方式,可以分为贴体网格方法、非贴体网格方法、重叠网格方法和粒子类方法 4类,对这4类方法的特点及研究进展进行概述并总结得出:贴体网格方法和重叠网格方法均能精确捕捉界面的变形和演化,适合高雷诺数流动问题,在考虑结构变形时一般采用贴体网格方法,而考虑复杂几何形状的刚体运动时则常采用重叠网格方法;非贴体网格方法能够避免网格的更新操作,使计算较为简单,目前多用于模拟流动控制、水下柔性仿生航行器的研发以及多体运动干扰等问题;粒子类方法因其固有的拉格朗日属性,在模拟涉及自由液面剧烈变形、砰击、爆炸等强非线性流固耦合问题中发挥着重要作用。不同的流固耦合问题属性决定了不同方法的适用性,如何选取适合的数值方法,同时结合各类方法的优势开发新的计算方法以应对更为复杂的问题,是流固耦合算法开发的重要发展方向。     

基于浸没光滑有限元法的双圆柱体运动问题研究

本文采用浸没光滑有限元方法对二维流域内双圆柱体运动时的干扰问题进行研究.通过引入虚拟流体假设将流固耦合控制方程进行分解,采用新型光滑有限元方法离散固体运动方程,并用半隐式特征线分裂方法(CBS)求解不可压缩粘性流体N-S方程,流固相互作用力通过虚拟流体域进行计算.结果表明该方法能很好地模拟双体运动干扰作用及引起流场特性的变化.     

基于完全耦合算法的绕水翼流固耦合特性研究

基于完全耦合算法对绕二维NACA0009水翼流固耦合特性进行了数值模拟研究。采用Theodorsen模型和Munch模型对刚性和弹性水翼的水弹性响应进行了数值计算,分析了流体与结构的相互作用关系,研究了影响结构水弹性响应和流固耦合特性的因素。研究结果表明:考虑了流体黏性的Munch模型与基于势流理论的Theodorsen模型对气动弹性响应的数值计算结果基本一致,而Theodorsen模型由于没有考虑流体黏性在一定程度上低估了结构的水弹性响应。结构的惯性、阻尼和刚度力矩与流体的相应附加载荷均处于同一数量级,故流体与结构的相互作用不可忽略,尤其对于弹性水翼,流体的惯性、附加阻尼作用增大,流固耦合算法的数值稳定性对流固耦合特性的计算结果影响将更大。外部激励频率为非共振频率时,结构的刚度作用是影响水弹性响应的主要因素,外部激励频率为共振频率时,流体的附加阻尼和附加刚度作用减弱,除结构的刚度作用外,流体与结构的惯性作用对水弹性响应和流固耦合特性的影响也较大。     

波浪与水囊潜堤相互作用的数值模拟

基于黏性流体力学理论构建波浪与水囊潜堤相互作用的计算流体力学数值模型.利用高阶差分方法求解纳维斯托克斯方程,采用有限元方法求解结构动力学方程,采用虚拟单元浸入边界法实现流体和固体求解器的高精度耦合求解.通过流体体积方法实现界面重构,与试验结果比较验证模型的有效性.对规则波与不同充盈水囊潜堤相互作用进行数值模拟,寻找合适...     

基于多层动网格技术的流固耦合方法研究

从弱耦合的角度出发,对某型跨声速风扇叶片做了第一阶扭转振动模态下的流固耦合验证计算,采用三维线性插值方法,通过商用软件ANSYS和CFX实现了计算结构动力学和计算流体力学之间的数据交换,从而使固体域与流体域顺序祸合.应用多层动网格技术解决了固体域模型在流场中运动受到流体网格尺寸制约的问题.计算结果表明,模拟结果可以预估叶轮系统的模态气动阻尼系数,具有工程参考价值.     

单流体方法处理管道流固耦合传热

核动力管道内流体非绝热流动,涉及流固耦合传热问题。利用解析法验证流固耦合数值模拟计算的可行性。为减少数值模拟计算量,提出单流体计算方法,其计算结果与流固耦合传热计算值相比较,发现单流体计算中流经管壁的热流量存在一定偏差。通过对流体域边界表面传热系数的修改,修正管壁热流量的计算值,得到了与参考值相一致的计算结果。研究表明,涉及管道流动传热问题时,单流体数值模拟计算不仅能够满足计算精度,而且可简化模拟设置,节约计算时间。     

内流对两端铰支水下输油管线管壁应力影响的数值分析

针对两端铰支水下输油管道,分别采用三维弹性动力学方程和N-S方程模拟管道与内部流体;借助ADINA有限元计算软件,管线采用壳模型四边形9节点单元离散,内部流体采用四面体4节点单元离散,通过在流固边界上反复迭代,实现管线及内部流体系统的三维流固耦合计算.管线外部环境条件考虑了管线外壁水压力的分布.依据数值计算得到的管线耦合系统的固有频率与HOUSNER方程的理论解的比较,探讨了不同内流流速对不同跨长管线管壁应力的影响,以及考虑管线外壁水压力作用的计算结果与通常假定管线在空气中的计算结果的差别.     

二维浮式结构物与完全非线性波相互作用数值分析

基于粘流理论、流固耦合理论和自由液面追踪技术——VOF(Volume of Fluid)法,以不可压缩流体的连续方程和N-S方程及结构动力学方程为基本控制方程,利用商用软件ANSYS Workbench的二次开发功能,建立了粘性数值波浪水池,数值模拟了完全非线性波的生成,计算分析了二维浮式结构物遭遇波浪的完全非线性现象,得到了甲板上浪水位高度和结构物的纵摇、垂荡、横摇等运动响应。结果表明:文中的方法可以用于波浪与浮式结构物相互作用的完全非线性数值模拟.     

基于γ界面捕捉模型的近场水下爆炸数值模拟

随着对水下爆炸现象研究的逐步深入,近场水下爆炸的数值模拟研究越来越受到重视。近场水下爆炸数值模拟当中的主要难点在于多相流运动以及界面捕捉方法的研究。文章提出一种较为稳定的近场水下爆炸数值模拟方法,其包含了五阶WENO重构以及HLLC近似黎曼求解器的格式,对于多相流界面的捕捉方法基于γ模型。文中的求解格式通过了一维激波管问题以及二维轴对称问题的验证,计算结果与理论解和实验结果吻合较好。在此基础上将该方法推广到近场水下爆炸过程中冲击波传播以及近水面爆炸现象的模拟,模拟结果较为满意。该文的研究方法能够为后续的近场水下爆炸过程中的空泡以及水射流的研究提供指导。     

入水问题的求解及其相关的工程应用(英文)

For solving water entry problems, a numerical method is presented, which is a CFD method based on free surface capturing method and Cartesian cut cell mesh. In this approach, incompressible Euler equations for a variable density fluid are numerically calculated by the finite volume method. Then artificial compressibility method, dual time-stepping technique and Roe’s approximate Riemann solver are adopted in the numerical scheme. Finally, some application cases are designed to show the ability of the current method to cope with water entry problems in ocean engineering.     

不同时空格式在求解Boussinesq水波模型中的应用

为了解不同时间空间差分格式在常用的二阶或四阶Boussinesq模型中的应用，针对4组近似到0（旷）阶完全非线性的二阶或四阶色散性的高阶Boussinesq水波方程，在非交错网格下，利用Crank-Nicolson格式、蛙跳格式、混合四阶Adams-Bashforth-Moulton格式，建立不同的数学模型。利用这些数值模型模拟波浪在潜堤上的传播变形，通过数值结果与试验结果的比较．考察时间格式及空间格式对模型的影响。结果表明：对同一方程，混合四阶Adams-Bashforth-Mouhon格式和Crank-Nicolson格式均能取得较好模拟效果，蛙跳格式的模拟效果最差；二阶Boussinesq模型采用追赶法求解已能满足要求；对四阶Boussineq模型，二阶空间导数色散项亦采用四阶精度，其数值效果会更好。     

圆弧型贯底式防波堤防浪效果的解析研究

给出了圆弧型贯底式防波堤防浪效果计算的解析方法.假定防波堤刚性、薄壁、不透浪,水深恒定.假想存在一个圆柱面,把流场划分为内外区域,在每个区域上将速度势用特征函数展开,然后在它们的公共边界上进行匹配,匹配的原则是公共边界上速度连续,压力连续,从而可得到关于未知系数的一组线性代数方程组,解出未知系数,即可求得流域中任意一点的速度势和波高.数值结果给出了不同入射波波长及防波堤所对不同圆心角时防波堤周围波幅的等高线图.结果表明:圆弧型贯底式防波堤具有很好的防浪效果,通常情况下,掩护区域内的波高仪为入射波波高的20%～50%,对于短波,甚至可降到10%.     

用三维非定常欧拉有限元方法进行波体干扰计算

本文利用理想流体的欧拉方程和用有限元方法建立了波体干扰计算模型.在自由表面上应用了线性自由面边界条件,非定常的欧拉方程用分步法求解,并用时间步进积分法分别处理压力泊松方程,速度方程和自由面上的波浪运动.为了证明本文提出的计算方法,在自由面上摇荡的半球用于作为数值计算例,把计算结果与用不同的理论方法得到的结果进行了比较.     

潜艇水面与水下粘性绕流数值模拟

本文采用求解RANS方程的方法结合四种湍流模型,对于带有不同附体的SUBOFF模型尾流场进行了数值模拟。数值预报的桨盘面处不同半径上的轴向无量纲速度与试验结果进行了对比,结果表明湍流模型在数值模拟中起到重要作用。潜艇水面航行性能十分重要,因而对于潜艇自由液面绕流的数值模拟备受关注。本文采用VOF方法对于两条潜艇模型在不同傅汝德数下的自由液面绕流进行了数值模拟。计算得到的阻力、波形与试验结果吻合较好。文中也探讨了潜艇自由液面绕流的一般特性。并验证了用CFD手段预报潜艇粘性流场的能力。     

一维激波结构的数值分析

建立了一维激波结构模型,对Burnett方程进行简化得到STNM方程,通过在均匀网格上采用二阶空间差分对无量纲化后的STNM方程进行数值计算,得到了激波内部参数变化剖面。以氩气为研究对象对一维激波结构进行数值分析计算。结果表明随着马赫数增大,omage数对于激波结构的影响增大,在相同omage数条件下,马赫数变化对激波内部参数变化的影响显著。     

波浪作用下弹性海床孔隙水应力响应的数值模拟

基于二维动力Biot固结理论,描述了海床土骨架的应力、应变和时间的本构关系,从Galerkin加权余量法出发建立了以土骨架位移u和孔隙水压力p表达的u-p形式的有限元方程,并采Wilson-θ直接数值积分法求解时域内动力方程。数值计算结果表明,在波浪作用下,海床孔隙水压力的计算值与实测值基本吻合,用文中的理论计算模型描述沙床对波浪荷载的响应是可靠的。     

基于双层Boussinesq方程的聚焦波数值模型

基于高精度双层Boussinesq方程,建立了聚焦波的时域波浪数值水槽。时间积分采用混合4阶Adams-BashforthMoulton预报-校正格式,聚焦波生成则采用累加不同频率规则波的内部造波源项法。针对Baldock等的聚焦波试验进行数值计算,计算结果与试验数据吻合较好。利用验证后模型进一步考察了非线性对数值计算聚焦波的影响,其中考虑了强非线性、弱非线性以及线性3种情况,结果表明非线性对精确模拟聚焦波至关重要,强非线性模型给出的结果最好,弱非线性次之,线性最差。