【摘要】：流固耦合在许多实际工程领域中有着广泛的应用,如溃坝、液舱晃荡、入水冲击等。现有的流固耦合分析计算方法大多基于网格的计算方法。基于网格信息的方法用于处理大变形自由表面、液面破损、弹性结构大变形和结构损伤等问题时,网格会产生严重的扭曲变形,从而导致较大的计算误差甚至计算终止。移动粒子半隐式方法(MPS)就是将计算域用相互作用的Lagrange粒子来进行离散,该方法不受网格的约束,所以非常适合求解流固耦合计算中的大变形问题。MPS法早期研究的重点主要侧重于流体方面的计算,而对于流固耦合方面的研究较少。MPS法计算非线性大变形方面的优势已经逐渐引起科学界的广泛关注,目前采用MPS法计算流固耦合问题已经有了一些初步的研究。在实际工程中,液体自由表面通常是复杂的湍流。大涡模拟是研究湍流问题的一种非常重要的数值方法。本文将MPS法和大涡模拟进行耦合对湍流问题进行计算。本文在移动粒子半隐式法核函数连续性的基础上,采用统一的MPS粒子将宏观流体和固体按一定的形式离散,由于流体和固体采用同一种离散方法,非常好的解决了计算流固耦合问题时坐标系的协调问题。在此基础上,根据MPS法的特点采用了一种全新的流固耦合计算流程,该方法通过分别赋值的方式,对流体和固体粒子进行识别,采用这种计算方法不用对流固耦合交界面做单独处理,极大的简化了处理程序。针对MPS算法计算流固耦合问题时的压力振荡现象,采用了一种新的压力缓解方法,在原压力计算的泊松方程中加入了自由扩散条件的作用项,以此缓解压力的振荡性,并在计算完成后再进行面积-时间平均。从计算结果可以看出,该方法可以极大地减小压力振荡现象。由于MPS法粒子具有拉格朗日性,所以在计算流固耦合问题时常常会伴有固体被流体粒子穿越的状况出现,而这一现象会对造成数值计算结果不准确。本文针对该现象,编写了预防粒子穿越的修正程序,该程序在实际运算过程中发挥了非常好的效果。大多数无网格算法验证都优先选用溃坝模型,溃坝问题是一种比较典型的算例,模型较为简单,且具有一定的通用性和代表性,由于其在模拟计算过程中会产生较大的变形,所以非常适合无网格算法可行性的验证。本文利用MPS法求解大变形问题的优势,采用MPS法结合大涡模拟,通过设置弹性挡板对数值计算中最为典型的溃坝流固耦合问题做了模拟,对MPS法计算溃坝流固耦合问题数值结果的收敛性做了验证。对比发现MPS-LES-FSI的计算结果和实验结果非常的接近。液舱中设置弹性阻尼挡板是一种非常有效的减晃措施,液舱晃荡与弹性防晃结构的耦合减晃效应一直是船舶与海洋工程中的一个极为重要的课题。溃坝问题中弹性结构仅在水流冲击作用下发生变形,而液舱晃荡问题中,首先液舱和弹性挡板简谐横摇运动引起液体受迫晃荡,流体与结构耦合边界本身随时间运动,相对于溃坝问题的固定弹性档板,移动交界耦合面的液舱晃荡问题更为复杂。本文采用MPS-LES-FSI法对液舱晃荡的耦合减晃效应进行分析研究,计算结果表明MPS法的模拟结果均同实验结果保持着较高的一致性。研究表明,液舱内部设置挡板后会对液体产生明显的阻尼作用,减小液体舱壁的冲击压力,提高液舱结构的安全性。船舶在风浪中航行时,船体会与水面产生较大的砰击载荷,经常导致发生船体破坏事故。船舶入水砰击是一个非常复杂的瞬态过程,由于船舶入水冲击的非定常性、自由液面的非线性以及入水过程伴有喷溅等非连续现象的产生。而且入水砰击涉及大变形、高应变甚至破坏等难点问题,传统的数值方法模拟砰击入水的流固耦合问题时面临着非常大的难度。本文利用MPS法不受网格约束的优势,采用MPS法对弹性结构物在水流撞击作用下的流固耦合及结构破坏过程做了模拟计算,对不同参数影响下入水砰击的计算结果进行了综合地分析研究,并对数值模拟方法的可靠性做了验证。本文对盒式结构内部设置肋板以便减小结构变形提高平板的安全性,计算结果表明盒式结构物设置肋板后,对盒式结构物的入水冲击压力并无太大影响,但是可以明显减小结构变形,提高结构安全性。本文对流体和固体采用MPS粒子进行离散,将大涡模拟与MPS方法相结合,提出了一种新的MPS-LES-FSI无网格算法,同时通过大量的数值模拟,证明本方法计算流固耦合大变形问题具有较强的通用性和稳定性,并且利用该方法的无网格优势对结构破坏问题做了模拟计算。所以该方法可以作为流固耦合大变形分析的一种新的技术手段。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U661.4
【图文】：
图 1-1 流体和固体的相互影响关系Figure 1-1 Interaction between fluid and solid洋工程领域中一般都是通过流固耦合交界面平衡和协调来进行算。图 1-1 是流固耦合问题中各种因素之间的相互作用情况。圆分别代表了流体和固体。在两个圆相切处, 采用一个小圆对。流体和固体的相互影响通过耦合界面进行。在流固耦合交界运动都是未知的，对耦合系统进行求解之后, 才能得出具体的对以上流固耦合界面连续情况，大多是根据流体和固体控制方求解计算。在结构力学研究中，有限元方法应用最为广泛。而差分法和有限体积法应用的较为普遍。流场和结构场通过交换
种典型的核函数的曲线
第 28 页图 2-2 核函数的作用范围Figure 2-2 The scope of the function of a kernel function滑模型中的物理量光滑模型是一个非常关键的计算模型。任为：
【参考文献】
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本文编号：
2766265
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