基于OpenFoam的流固耦合数值方法研究

发布时间：2017-04-23 23:07

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【摘要】：流固耦合现象厂泛的存在于航空航天、叶轮机械、土木工程、石油化工、清洁能源等诸多领域。近些年来流固耦合及其他多物理场耦合问题的计算模拟受到了广泛的关注。而流固耦合问题形形色色、种类丰富,采用分离法对其进行计算模拟越来越成为当今主流趋势。IQN-ILS算法是一种隐式的流固耦合算法,属于分离法范畴。与传统的不动点迭代算法相比,其在收敛速度上有明显优势。但在某些流固耦合问题中,例如管道流动问题,该算法不能完全保证计算的稳定性。针对这种情况,提出了将松弛因子引入IQN-ILS算法和混合使用Aitken和IQN-ILS的两种改进算法。在流固耦合求解器方面首先在有限体积法开源C++类库OpenFoam原有求解器基础上进行编程开发,添加了IQN-ILS耦合算法代码,实现了IQN-ILS算法的求解器；其次根据提出的两种改进算法,开发了基于IQN-ILS两种新的流固耦合求解器,具体耦合算法部分的程序开发过程分为python和C++两个版本。此外本文还开发了可模拟存在自由液面流固耦合问题的新求解器。然后通过标准验证算例验证了所开发求解器的有效性。并运用二维算例,比较了不同耦合算法的收敛速度。最终将改进算法应用到三维管道流动算例中。算例结果表明,与原有IQN-ILS算法比较,提出的改进算法起到了提高计算稳定性的目的,取得了很好的效果。
【关键词】：流固耦合 IQN-ILS算法 OpenFoam Aitken算法 改进算法
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O353.4
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 流固耦合的定义及应用9-10
• 1.2 流固耦合问题数值计算理论的研究现状10-12
• 1.3 本文的主要研究内容12-13
• 第2章 数值方法理论13-32
• 2.1 基于有限体积法的基本方程的建立13-15
• 2.1.1 流体方程的建立13-14
• 2.1.2 固体方程的建立14-15
• 2.2 有限体积法的离散和求解过程15-21
• 2.2.1 计算区域的离散15-17
• 2.2.2 流体方程的离散及求解17-19
• 2.2.3 固体方程的离散及求解19-21
• 2.3 流体网格方程21-22
• 2.4 流固耦合中的分离法22-29
• 2.4.1 显式耦合23-24
• 2.4.2 不动点迭代24
• 2.4.3 Aitken迭代24-26
• 2.4.4 向量外推法26-27
• 2.4.5 IQN-ILS算法27-29
• 2.5 本文提出的基于IQN-ILS算法的改进算法29-32
• 第3章 基于OpenFoam的流固耦合求解器开发32-49
• 3.1 OpenFoam的介绍32-33
• 3.2 原有流固耦合求解器及其相关基本知识的介绍33-34
• 3.3 对原有求解器的修改34-40
• 3.3.1 使用外推法预测子迭代初始值34-36
• 3.3.2 引入是否进行动量预测的选择36-37
• 3.3.3 对原有求解器的修正37
• 3.3.4 提供了使用径向基函数插值法的接口37-38
• 3.3.5 强制流固交界面的网格重合38-40
• 3.4 流固耦合算法部分的程序实现40-49
• 3.4.1 基于Python的开发过程40-44
• 3.4.2 最终C++代码的实现44-49
• 第4章 流固耦合问题数值算例49-77
• 4.1 标准验证算例49-58
• 4.2 二维算例的对比分析58-62
• 4.3 改进算法在三维管道流动中的应用62-72
• 4.3.1 工况1的收敛情况分析67-69
• 4.3.2 工况2的收敛情况分析69-70
• 4.3.3 工况3的收敛情况分析70-72
• 4.4 存在自由液面的流固耦合问题72-77
• 4.4.1 水槽水平运动的算例72-75
• 4.4.2 水槽定轴转动的算例75-77
• 第5章 总结与展望77-79
• 5.1 全文总结77-78
• 5.2 研究展望78-79
• 参考文献79-82

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本文编号：323155