一類流固耦合問題的數(shù)值算法及風(fēng)場中搖曳樹木的物理仿真.pdf

1、本文針對耦合作用發(fā)生在兩相交界面上的柔性結(jié)構(gòu)流固耦合問題,選擇兩種可以優(yōu)勢互補的數(shù)值算法進行了研究并作出改進,使其能適用于風(fēng)場中搖曳樹木的物理仿真。進而系統(tǒng)地提出了一種風(fēng)場中搖曳樹木的物理仿真方法,用該方法分別模擬了風(fēng)場中闊葉樹和無葉樹的搖曳,還將該方法應(yīng)用于風(fēng)場中搖曳樹木的基于物理的計算機動畫生成。 文中選擇任意拉格朗日-歐拉法(ALE法)和基于固定笛卡爾網(wǎng)格的切割單元法(CCC法)進行深入研究。在ALE法方面,本文提出了一種

2、管道中活門運動的整體耦合模擬和網(wǎng)格處理方法,并使其可用于二維流場中樹葉周圍流場的模擬和樹葉阻力系數(shù)的計算。在CCC法方面,因原算法通常用于二維問題的模擬,在處理三維問題時因切割單元成型困難而較少采用。本文針對風(fēng)場中的闊葉樹運動模擬的需求,提出了通過適當降低三維的CCC法求解精度而極大簡化切割單元的成型過程的改進方法,這不僅有效提高計算速度,而且使算法特別適用于風(fēng)場中搖曳樹木的仿真分析。 在改進算法的基礎(chǔ)上,論文系統(tǒng)地提出了一種風(fēng)

3、場中搖曳樹木的物理仿真方法。該方法包括樹木有限元模型的生成、樹葉的材料特性和空氣動力學(xué)特性的仿真模擬、將樹木分為闊葉樹和無葉樹兩種模式進行風(fēng)荷載計算,以及基于上述技術(shù)思路建立對風(fēng)場中的樹木流固耦合物理仿真的方法。該仿真模擬方法,首次提出了用虛擬殼結(jié)構(gòu)代替闊葉樹的樹冠的建模、考慮樹枝本身運動述度和流場中圓柱體上的脈動渦脫作用力的雙向流固耦合模擬,以及材料參數(shù)的不對稱性會影響樹木的動力學(xué)特性的假設(shè)和物理仿真與驗證。 本文還將仿真分析

4、應(yīng)用于計算機圖形學(xué)領(lǐng)域,首次提出了基于模擬結(jié)果數(shù)據(jù)庫的風(fēng)場中搖曳樹木基于物理的計算機動畫的生成方法。針對計算機動畫數(shù)據(jù)量大和精度要求遠低于工程設(shè)計的特點,提出了兩種有效方法：一種方法是用簡化的單向耦合算法來代替雙向耦合算法,用人工阻尼代替雙向耦合算法的物理阻尼來對單向耦合算法進行修正,使得簡化的單向耦合模擬的結(jié)果更接近雙向耦合算法的模擬結(jié)果；另一種方法是虛擬材料法,通過虛擬地改變材料參數(shù)來加快動力學(xué)有限元顯式求解的速度。采用了上述兩種方