非線性流固耦合問(wèn)題的數(shù)值模擬方法研究.pdf

1、流固耦合問(wèn)題是流體力學(xué)研究中的重要問(wèn)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(chǎng)中流體的作用下,流場(chǎng)中的結(jié)構(gòu)物會(huì)發(fā)生變形和位移,這種變形和位移反過(guò)來(lái)又對(duì)流體產(chǎn)生影響,從而使流體和結(jié)構(gòu)物形成一個(gè)相互聯(lián)系、相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)。流固耦合問(wèn)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(duì)于流固耦合問(wèn)題的分析占有重要地位。如承受海浪、海流作用的海洋平臺(tái)、深水立管,在其設(shè)計(jì)過(guò)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(dòng),是一種典型的具有強(qiáng)烈非線性的復(fù)雜的流固耦合問(wèn)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(duì)非線性流固耦合問(wèn)題進(jìn)行研究具有重要的科學(xué)意義。
　　非線性流固耦合問(wèn)題的處理一直是流體力學(xué)的難點(diǎn),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(lèi)方法在處理非線性問(wèn)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(shí),會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的單元畸變,導(dǎo)致計(jì)算精度的降低甚至無(wú)法收斂。且動(dòng)網(wǎng)格的計(jì)

3、算需耗費(fèi)相當(dāng)?shù)挠?jì)算量。
　　無(wú)單元法具有不依賴于單元網(wǎng)格信息的特點(diǎn)。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(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)EFM應(yīng)用于如VIV等非線性流固耦合分析的報(bào)道。
　　針對(duì)上述問(wèn)題,本文以立管渦激振動(dòng)為例,將無(wú)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(lèi)問(wèn)題的分析計(jì)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(guó)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(dòng)的基本理論,重要控制參數(shù),尾流中瀉渦脫落的機(jī)理、重要現(xiàn)象與特征等,對(duì)渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)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(wú)單元法的特點(diǎn)和分析流程,對(duì)比了其與傳統(tǒng)有限元法的區(qū)別,分析了其優(yōu)缺點(diǎn);闡述了無(wú)單元法的分類(lèi)、節(jié)點(diǎn)支持域理論、基于插值法和移動(dòng)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(wú)單元法離散化、本質(zhì)邊界條件的處

5、理以及無(wú)單元法的數(shù)值積分方法等理論;
　　3、給出了聯(lián)合運(yùn)用無(wú)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(jì)算采用速度和壓力分離模式,在時(shí)間和空間上分別對(duì)二維粘性不可壓縮流場(chǎng)的控制方程進(jìn)行離散,給出了適用于二維流場(chǎng)分析的EFM自動(dòng)布點(diǎn)算法。并以固定圓柱體VIV為例,采用兩種不同布點(diǎn)方式對(duì)二維固定圓柱體的VIV參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算。
　　4、給出了振動(dòng)圓柱體邊界周?chē)?jié)點(diǎn)移動(dòng)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(chǎng)。基于上述算法,以考慮阻尼的彈性支撐剛性圓柱體的二維VIV動(dòng)力響應(yīng)分析為例,驗(yàn)證本文算法在運(yùn)動(dòng)物體流固耦合分析中的適用性。計(jì)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(gè)分支和VIV的“鎖定”現(xiàn)象。
　　5、模擬了考慮流向振動(dòng)的二自由度彈性支撐圓柱體的VIV動(dòng)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