基于浸没式光滑点插值法的流固耦合算法研究
发布时间：2020-06-08 09:13
【摘要】：流体与结构相互作用问题是多分支学科的交叉融合,是船舶与海洋工程中最典型的力学问题之一。在新型船舶与海洋工程装备开发过程中,会涉及到各种各样复杂的流固耦合问题,如水下立管的涡激振动问题、液舱晃荡问题及结构物高速入水砰击问题等等,这些问题都对计算技术和计算方法提出了更高的要求。目前任意拉格朗日欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)算法是应用较为广泛的流固耦合数值算法,然而在模拟流固耦合问题涉及到固体大变形、旋转运动及接触现象时,需要进行流域网格调整甚至重新生成,这个过程繁琐耗时且网格的频繁变形导致其质量下降结果精度降低。浸没边界法(Immersed Boundary Method,IBM)采用非贴体网格离散固体边界,避免了移动边界带来的流域网格变形问题,为解决复杂流固耦合问题指引了新的方向并促进了浸没方法的发展。在浸没方法框架内,有限元法(Finite Element Method,FEM)是处理固体运动与变形经常采用的求解器,而传统FEM采用低阶单元时兼容应变连续性差、计算精度低,限制了简单三角形或四面体单元的应用。基于广义梯度光滑技术的光滑点插值法(Smoothed Point Interpolation Method,S-PIM),结合了 FEM 和无网格法的优势,解决了长久困扰FEM的由于模型刚度过硬带来的一系列问题,显著提高了基于非结构化网格的计算性能,在固体力学线性与非线性问题中表现出良好性能。本文基于浸没方法框架下,耦合基于线性背景网格的S-PIM模拟非线性固体大变形,开发出适用于不同流固耦合问题的数值算法。主要研究内容如下:(1)在详细介绍了 S-PIM的不同光滑域构造格式及非线性固体材料模型和详细求解流程基础上,基于浸没方法框架下耦合S-PIM提出了浸没光滑点插值法(Immersed S-PIM,IS-PIM)。方法采用半隐式特征线分裂(Characteristic-Based Splitting,CBS)算法求解不可压缩粘性流体,通过引入虚拟流体计算耦合力,在处理二维问题时流固两相均采用简单的三角形单元离散,同时构造高阶插值格式用以实现流固界面处信息交换,能够发挥浸没方法处理复杂移动边界时无需网格重构的优势。通过数值算例验证了 IS-PIM在模拟大变形流固耦合问题的准确性和有效性。接着将IS-PEM应用于带分流板的圆柱尾流控制问题,考虑了与圆柱不同间距的分流板分别为刚性和柔性及单体和双体时平均阻力系数和斯托哈尔数变化趋势,分析了相应情况下分流板抑制圆柱尾涡的生成和脱落机理,同时比较了不同形式下分流板减阻效果及变化规律。(2)在IS-PIM基础上,通过进一步采用点基局部光滑点插值法(Node-based Partly S-PIM,NPS-PIM)作为固体求解器,提出了浸没点基局部光滑点插值法。NPS-PIM将模型软化程度较高的点基光滑点插值法和模型刚度偏硬的FEM相结合,基于点基局部梯度光滑技术得到适当软化的模型刚度非常接近精确解刚度,进而提高了流固耦合模型模拟大变形固体的准确性。尤其是在模拟固体扭曲变形严重的流固耦合问题时,流固耦合模型中因固体模型刚度不同会导致位移结果的显著差异,而本文提出的浸没点基局部光滑点插值法仍然能够提供与参考解非常接近的数值结果。(3)针对CBS算法作为流体求解器需要求解压力泊松方程、非常耗时并且占用大量计算资源的问题,采用演化方程简单且计算高效的格子玻尔兹曼法(Lattice Boltzmann Method,LBM)作为流体求解器,提出了 LBM与S-PIM耦合算法。在模拟不可压缩粘性流体流动时,LBM计算时间远远小于CBS,同时结果准确性也好于CBS的结果。数值结果显示,本文提出的LBM与S-PIM耦合算法在浸没方法框架下能够有效处理复杂移动边界,在较大的流固网格比范围内能够保持数值稳定性,计算简单效率高,在相同条件下比LBM与FEM耦合算法的结果精度高,具有大规模计算的潜力。(4)为有效模拟自由液面翻卷与破碎等强非线性流固耦合问题,利用光滑粒子水动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)法作为流体求解器,提出了 SPH 与 S-PIM耦合算法。与IS-PIM中虚拟流体引入方式相同,在固体域内引入虚粒子利于施加流固耦合条件,采用改进的耦合动力学边界条件处理固壁,采用密度正则化改进压力结果,提高了压力场求解的稳定性。在溃坝、晃荡和高速入水砰击问题中,验证了 SPH与S-PIM耦合算法能够有效地处理同时涉及自由液面大变形和固体大变形的流固耦合问题。
【图文】：
学技术的发展和海洋装备关键技术的研发。在海洋工程装备及高技术船舶研发过程中，逡逑广泛存在着流体与结构相互作用现象，由此带来的各种流固耦合问题一直以来都制约着逡逑生产实践和工程应用。在海洋水下油气开采及运输过程中（图１．１（ａ）），海洋立管作为主逡逑要连接和输运设备，在海流和波浪作用下往往发生涡激振动现象（图１．１（ｂ）），水下长时逡逑间的相互作用可能导致结构破坏失效。并且随着资源的消耗增大和日益匮乏，人们加大逡逑了对深海石油和天然气的开发，此时复杂的海洋环境在整个水深上对海洋设备产生影逡逑响，，这往往使涡激振动现象在深水处更加强烈。涡激振动现象机理性的研[傆衫醇壕茫义纤且恢值湫偷牧魈逵虢峁刮镒饔玫牧鞴恬詈衔侍狻Ｒ种坪Ｑ罅⒐芪屑ふ穸侍舛杂谘渝义铣ずＱ笞氨甘褂檬倜浅＞哂惺导室庖澹庖彩茄д呙枪刈⒌娜鹊阄侍狻ｅ义希ǎ幔╁危ǎ猓╁义贤迹保焙Ｑ笃教ǎ保哄澹ǎ幔┯推稍耸洌唬ǎ猓┗黾ふ穸侍忮义希疲椋纾澹保卞澹希妫妫螅瑁铮颍邋澹穑欤幔簦妫铮颍恚哄澹ǎ幔╁澹澹穑欤铮椋簦幔簦椋铮铄澹幔睿溴澹簦颍幔睿螅穑铮颍簦幔簦椋铮铄澹铮驽澹铮椋戾澹幔睿溴澹纾幔螅诲澹ǎ猓╁澹觯铮颍簦澹义希椋睿洌酰悖澹溴澹觯椋猓颍幔簦椋铮铄义纤孀盼夜玫目焖俜⒄梗允汀⑻烊黄确窃偕茉吹男枨罅坎欢显黾樱阱义夏茉创⒈赣邢扌枰庸饨诓拍苈闵枨蟆：Ｉ显耸涫亲钍室说囊恢帜茉丛耸浞藉义鲜
本文编号：2702855
【图文】：
学技术的发展和海洋装备关键技术的研发。在海洋工程装备及高技术船舶研发过程中，逡逑广泛存在着流体与结构相互作用现象，由此带来的各种流固耦合问题一直以来都制约着逡逑生产实践和工程应用。在海洋水下油气开采及运输过程中（图１．１（ａ）），海洋立管作为主逡逑要连接和输运设备，在海流和波浪作用下往往发生涡激振动现象（图１．１（ｂ）），水下长时逡逑间的相互作用可能导致结构破坏失效。并且随着资源的消耗增大和日益匮乏，人们加大逡逑了对深海石油和天然气的开发，此时复杂的海洋环境在整个水深上对海洋设备产生影逡逑响，，这往往使涡激振动现象在深水处更加强烈。涡激振动现象机理性的研[傆衫醇壕茫义纤且恢值湫偷牧魈逵虢峁刮镒饔玫牧鞴恬詈衔侍狻Ｒ种坪Ｑ罅⒐芪屑ふ穸侍舛杂谘渝义铣ずＱ笞氨甘褂檬倜浅＞哂惺导室庖澹庖彩茄д呙枪刈⒌娜鹊阄侍狻ｅ义希ǎ幔╁危ǎ猓╁义贤迹保焙Ｑ笃教ǎ保哄澹ǎ幔┯推稍耸洌唬ǎ猓┗黾ふ穸侍忮义希疲椋纾澹保卞澹希妫妫螅瑁铮颍邋澹穑欤幔簦妫铮颍恚哄澹ǎ幔╁澹澹穑欤铮椋簦幔簦椋铮铄澹幔睿溴澹簦颍幔睿螅穑铮颍簦幔簦椋铮铄澹铮驽澹铮椋戾澹幔睿溴澹纾幔螅诲澹ǎ猓╁澹觯铮颍簦澹义希椋睿洌酰悖澹溴澹觯椋猓颍幔簦椋铮铄义纤孀盼夜玫目焖俜⒄梗允汀⑻烊黄确窃偕茉吹男枨罅坎欢显黾樱阱义夏茉创⒈赣邢扌枰庸饨诓拍苈闵枨蟆：Ｉ显耸涫亲钍室说囊恢帜茉丛耸浞藉义鲜
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