非線性流固耦合問題的數(shù)值模擬方法研究.pdf

1、流固耦合問題是流體力學(xué)研究中的重要問題之一,它是由流體力學(xué)和固體力學(xué)交叉形成的力學(xué)分支。在流場中流體的作用下,流場中的結(jié)構(gòu)物會發(fā)生變形和位移,這種變形和位移反過來又對流體產(chǎn)生影響,從而使流體和結(jié)構(gòu)物形成一個相互聯(lián)系、相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)。流固耦合問題存在于許多工程領(lǐng)域,如飛行器、建筑橋梁抗風(fēng)、船舶與海洋工程等。特別是在海洋工程領(lǐng)域,對于流固耦合問題的分析占有重要地位。如承受海浪、海流作用的海洋平臺、深水立管,在其設(shè)計過程中不可避免的要進(jìn)行

2、流固耦合分析,特別是立管的渦激振動,是一種典型的具有強烈非線性的復(fù)雜的流固耦合問題,也是導(dǎo)致立管疲勞損傷,降低其使用壽命的重要因素。因此,對非線性流固耦合問題進(jìn)行研究具有重要的科學(xué)意義。
　　非線性流固耦合問題的處理一直是流體力學(xué)的難點,目前采用的分析方法均需基于網(wǎng)格信息,如有限元法,這類方法在處理非線性問題,尤其是如深水立管、錨纜等非線性大變形結(jié)構(gòu)物的流固耦合時,會發(fā)生嚴(yán)重的單元畸變,導(dǎo)致計算精度的降低甚至無法收斂。且動網(wǎng)格的計

3、算需耗費相當(dāng)?shù)挠嬎懔俊?br>　　無單元法具有不依賴于單元網(wǎng)格信息的特點。但目前其研究主要集中于固體力學(xué)領(lǐng)域,在流體力學(xué)方面的研究還比較少,且國內(nèi)外尚未見EFM應(yīng)用于如VIV等非線性流固耦合分析的報道。
　　針對上述問題,本文以立管渦激振動為例,將無單元法引入流固耦合分析中,嘗試探討一種不需依賴網(wǎng)格信息的非線性流固耦合數(shù)值模擬新方法,并取得了一些階段性成果。為此類問題的分析計算提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。本文主要內(nèi)容可以概括如下:<

4、br>　　1、綜述了國內(nèi)外在流固耦合分析領(lǐng)域和深水立管領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,闡述了渦激振動的基本理論,重要控制參數(shù),尾流中瀉渦脫落的機理、重要現(xiàn)象與特征等,對渦激振動實驗和數(shù)值模擬的主要方法進(jìn)行了介紹;
　　2、系統(tǒng)介紹了無單元法的特點和分析流程,對比了其與傳統(tǒng)有限元法的區(qū)別,分析了其優(yōu)缺點;闡述了無單元法的分類、節(jié)點支持域理論、基于插值法和移動最小二乘法的形函數(shù)的構(gòu)造方法以及權(quán)函數(shù)的選擇、系統(tǒng)控制方程的無單元法離散化、本質(zhì)邊界條件的處

5、理以及無單元法的數(shù)值積分方法等理論;
　　3、給出了聯(lián)合運用無單元伽遼金法和三階分步有限元法的非線性流固耦合分析方法,計算采用速度和壓力分離模式,在時間和空間上分別對二維粘性不可壓縮流場的控制方程進(jìn)行離散,給出了適用于二維流場分析的EFM自動布點算法。并以固定圓柱體VIV為例,采用兩種不同布點方式對二維固定圓柱體的VIV參數(shù)進(jìn)行了分析計算。
　　4、給出了振動圓柱體邊界周圍節(jié)點移動的算法和采用“虛擬控制單元”的算法,求解EF

6、M形函數(shù)的空間導(dǎo)數(shù)使其適用于較高雷諾數(shù)的流場?；谏鲜鏊惴?以考慮阻尼的彈性支撐剛性圓柱體的二維VIV動力響應(yīng)分析為例,驗證本文算法在運動物體流固耦合分析中的適用性。計算結(jié)果模擬出了二維VIV的2S、2P模態(tài)以及初始、上部、下部三個分支和VIV的“鎖定”現(xiàn)象。
　　5、模擬了考慮流向振動的二自由度彈性支撐圓柱體的VIV動力響應(yīng),在圓柱體附近的各向異性局部支持域中采用“虛擬控制單元”算法求解其形函數(shù)的空間導(dǎo)數(shù),并以此作為積分背景網(wǎng)格