基于ALE动网格的流固耦合分区算法及其在流致振动分析中的应用

摘要

结构物的流致振动现象广泛存在于工程领域中，它就像一把双刃剑，既可以引发严重的结构破坏事故，又可以通过振动能量的收集装置为人类提供新能源。因此，流致振动问题一直是国际上的研究热点之一。但是由于流体与结构的相互作用过程十分复杂，相关的流固耦合机理研究至今远未成熟。本文旨在开发一套求解流固耦合问题的计算程序，并对几个不同的刚性结构和柔性结构的流致振动问题开展数值模拟研究，重点分析来流条件、结构几何特征以及邻近结构的干扰效应对结构流致响应的影响规律和内在物理机制。
　　首先，本文建立了求解层流、湍流流动问题的新型流体有限元格式。在Navier-Stokes方程的求解过程中，采用了半隐式四步分裂算法和迎风流线Petrov-Galerkin（SUPG）稳定化算法，验证计算结果表明该方法具有较高的求解效率、精度和稳定性；基于SUPG稳定化格式，引入两方程SST k-ω湍流模型，提出了求解雷诺平均RANS方程的新型有限元格式，有效解决了高雷诺数流动计算问题。
　　其次，在处理动网格问题时，本文结合Laplace修正方程，引入了一种基于初始网格变形的动网格技术。数值实验结果表明，在处理周期性振动边界问题中，该技术与传统方法相比具有十分优越的性能。
　　再次，构造了一套求解流固耦合问题的数值算法，为研究结构的流致振动提供了有效的计算手段。具体包括：为处理流场动边界问题，将建立的流体运动控制方程有限元格式推广至任意拉格朗日-欧拉（ALE）描述形式；针对刚体运动方程的求解，采用了显式时间积分算法；对于柔性结构运动，运用Newmark隐式算法和Newton-Laphson迭代算法，求解了完全拉格朗日格式（T.L.）下的结构大变形动力有限元方程；将流体求解模块、结构求解模块与动网格技术相结合，构建了求解流体与结构相互作用的弱耦合分区算法。
　　然后，利用开发的流固耦合求解器，研究了弹簧支撑等边三角柱的双自由度流致振动问题，揭示了来流攻角对结构振动响应和尾流形态的影响规律，重点分析了三角柱振幅、振动频率、振动轨迹、水动力特征参数、结构表面压力分布和涡量分布的变化规律和特征。
　　此外，利用开发的流固耦合求解器，研究了静止大圆柱下游的弹簧支撑小圆柱尾激振动问题，详细分析了雷诺数、折合速度和自由度对下游小圆柱的动力响应和尾流模式的影响规律。通过分析可视化瞬时流场，揭示了流动干扰作用下结构的尾激振动机制。
　　最后，利用开发的流固耦合求解器，研究了静止圆柱下游的柔性板尾激振动问题，主要考察了结构间距比对间隙流动模式和柔性板振动特性的影响，同时也阐明了柔性板周围压力分布与结构振动响应之间的内在联系。

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目录

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究现状综述

1.3 本文主要研究内容

第二章 流体控制方程的分步稳定化有限元算法研究

2.1 引言

2.2 Navier-Stokes方程的有限元解法

2.3 RANS方程的有限元解法

2.4 本章小结

第三章 动网格技术研究

3.1 引言

3.2 动网格技术

3.3 算例实验

3.4 本章小结

第四章 基于ALE动网格的流固耦合分区算法研究

4.1 引言

4.2 ALE描述下Navier-Stokes方程求解

4.3 ALE描述下RANS方程求解

4.4 结构动力方程求解

4.5 流固耦合算法

4.6 算例验证

4.7 本章小结

第五章 弹簧支撑三角柱的流致振动数值模拟

5.1 引言

5.2 计算模型

5.3 计算结果与分析

5.4 本章小结

第六章 静止大圆柱下游的弹簧支撑小圆柱尾激振动数值模拟

6.1 引言

6.2 计算模型

6.3计算结果与分析

6.4 本章小结

第七章 静止圆柱下游的柔性板尾激振动数值模拟

7.1 引言

7.2 计算模型

7.3计算结果与分析

7.4 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 研究总结

8.2主要创新点

8.3 工作展望

参考文献

致谢

个人简历 攻读博士学位期间的论文和科研情况