连续力切割网格法的应用

发布时间：2017-10-18 13:33

  本文关键词：连续力切割网格法的应用

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【摘要】：大型LNG船在高海况下航行时，面临的一个突出问题是部分装载的舱内液体在外界激励下发生晃荡，液体晃荡导致的舱壁强度和疲劳等问题越来越被关注，尤其对于近年来广泛采用的薄膜式LNG液舱壁，液舱结构的弹性不可忽略，舱内流场与液舱结构之间的相互作用更为显著。此外，在深海油气田的开发过程中，深海柔性立管涡激振动也属于典型的流固耦合问题。 浸入边界法作为研究流固耦合问题的一类非协调网格方法，其原理是通过在流体动量方程中增加力源项，并满足两相交界面速度连续边界条件，来实现流体域与结构域的耦合效应。该方法可避免数值求解过程中的网格更新，计算网格为固定直角网格，与复杂繁琐的贴体网格生成不同的是，，网格生成不依赖于物体形状。因此，此类方法的显著特点在于网格生成简单、无需重新划分网格，进而可描述多物体复杂运动边界及其大变形问题。进一步，连续力浸入边界法中力源项满足某种特定的力学关系式，一般具有显式的解析表达式，故可处理弹性边界问题。 本文基于自主开发的非线性两相流大涡模拟CFD平台，包括自主改进的径向基函数切割网格有限体积法和质量力模型，嵌入连续力浸入边界法的思想，并结合切割网格有限体积法数值模拟流场与弹性边界的相互作用。通过发展径向基函数切割网格流体体积分数、面积分数的数值处理技术，可模拟多体复杂动物体，提高计算精度。全文共分为6章： 第1章重点阐述浸入边界法的国内外研究现状，并提出本文的研究方向和主要工作。 第2章构建基于浸入边界法求解流固耦合问题的数学模型，以清晰地认识浸入边界法的机理，为论文工作奠定基础。 第3章给出运用浸入切割网格有限体积法求解非定常不可压缩Navier-Stokes方程的离散过程。 第4章提出本文研究工作的技术路线。 第5章数值计算楔形体转动对流场的影响，并定性地验证了弹性边界拉格朗日力的计算程序。第6章总结本文的工作，并提出下一步的研究计划。
【关键词】：浸入边界法 自主改进的径向基函数切割网格技术 质量力模型 虚拟网格插值 弹性边界与流场相互作用
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.4;U674.133
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-29
• 1.1 研究背景及意义9-14
• 1.1.1 LNG 船液舱晃荡及柔性立管涡激振动问题9-13
• 1.1.2 流固耦合问题13-14
• 1.2 浸入边界法的国内外研究进展14-26
• 1.2.1 浸入界面精度问题15-19
• 1.2.2 不同材料本构关系选取19-20
• 1.2.3 结构变形范围20-22
• 1.2.4 结构弹性变形与刚性运动耦合作用22-23
• 1.2.5 边界质量23-24
• 1.2.6 稳定性问题24-26
• 1.3 浸入区域法简介26-27
• 1.4 论文研究的主要工作及思路27-29
• 第2章 基于浸入边界法的流固耦合数学模型29-37
• 2.1 流固耦合数学模型29-31
• 2.1.1 结构运动方程30
• 2.1.2 流体运动方程30-31
• 2.1.3 物面边界条件31
• 2.2 基于浸入边界法的流固耦合数学模型31-33
• 2.3 弹性边界模型33-35
• 2.3.1 粘弹性模型33-35
• 2.3.2 弹簧模型35
• 2.4 欧拉-伯努利梁与流场相互作用的浸入边界法控制方程35-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章 基于浸入切割网格有限体积法的粘性不可压缩流场数值计算37-62
• 3.1 自主改进的切割网格法37-43
• 3.1.1 定义切割网格几何辅助变量40-42
• 3.1.2 切割交错网格变量布置42-43
• 3.2 运动边界质量力模型43-46
• 3.3 浸入切割网格法的非定常不可压缩 NAVIER-STOKES 方程离散46-60
• 3.3.1 连续方程离散47
• 3.3.2 动量方程离散47-60
• 3.4 初边值条件60-61
• 3.4.1 初始条件60
• 3.4.2 边界条件60-61
• 3.5 本章小结61-62
• 第4章 技术路线62-71
• 4.1 网格生成62-63
• 4.2 边界拉格朗日力计算63-67
• 4.2.1 弹性力离散过程64-65
• 4.2.2 弯曲力离散过程65-66
• 4.2.3 边界条件66-67
• 4.3 边界拉格朗日力插值得到欧拉力67-69
• 4.4 更新流场69
• 4.5 更新物面边界69-70
• 4.6 本章小结70-71
• 第5章 算例：欧拉-伯努利梁变形71-78
• 5.1 刚体转动71-76
• 5.1.1 完全浸没的楔形体转动71-74
• 5.1.2 位于两相流中的楔形体转动74-76
• 5.2 欧拉-伯努利梁弹性力及弯曲力计算模型验证76-78
• 第6章 总结与展望78-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-88
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目88

【参考文献】

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本文编号：1055204