基于ALE動網(wǎng)格的流固耦合分區(qū)算法及其在流致振動分析中的應(yīng)用.pdf

1、結(jié)構(gòu)物的流致振動現(xiàn)象廣泛存在于工程領(lǐng)域中，它就像一把雙刃劍，既可以引發(fā)嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞事故，又可以通過振動能量的收集裝置為人類提供新能源。因此，流致振動問題一直是國際上的研究熱點之一。但是由于流體與結(jié)構(gòu)的相互作用過程十分復(fù)雜，相關(guān)的流固耦合機理研究至今遠(yuǎn)未成熟。本文旨在開發(fā)一套求解流固耦合問題的計算程序，并對幾個不同的剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)的流致振動問題開展數(shù)值模擬研究，重點分析來流條件、結(jié)構(gòu)幾何特征以及鄰近結(jié)構(gòu)的干擾效應(yīng)對結(jié)構(gòu)流致響應(yīng)的影響

2、規(guī)律和內(nèi)在物理機制。
　　首先，本文建立了求解層流、湍流流動問題的新型流體有限元格式。在Navier-Stokes方程的求解過程中，采用了半隱式四步分裂算法和迎風(fēng)流線Petrov-Galerkin（SUPG）穩(wěn)定化算法，驗證計算結(jié)果表明該方法具有較高的求解效率、精度和穩(wěn)定性；基于SUPG穩(wěn)定化格式，引入兩方程SST k-ω湍流模型，提出了求解雷諾平均RANS方程的新型有限元格式，有效解決了高雷諾數(shù)流動計算問題。
　　其次，在

3、處理動網(wǎng)格問題時，本文結(jié)合Laplace修正方程，引入了一種基于初始網(wǎng)格變形的動網(wǎng)格技術(shù)。數(shù)值實驗結(jié)果表明，在處理周期性振動邊界問題中，該技術(shù)與傳統(tǒng)方法相比具有十分優(yōu)越的性能。
　　再次，構(gòu)造了一套求解流固耦合問題的數(shù)值算法，為研究結(jié)構(gòu)的流致振動提供了有效的計算手段。具體包括：為處理流場動邊界問題，將建立的流體運動控制方程有限元格式推廣至任意拉格朗日-歐拉（ALE）描述形式；針對剛體運動方程的求解，采用了顯式時間積分算法；對于柔性

4、結(jié)構(gòu)運動，運用Newmark隱式算法和Newton-Laphson迭代算法，求解了完全拉格朗日格式（T.L.）下的結(jié)構(gòu)大變形動力有限元方程；將流體求解模塊、結(jié)構(gòu)求解模塊與動網(wǎng)格技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了求解流體與結(jié)構(gòu)相互作用的弱耦合分區(qū)算法。
　　然后，利用開發(fā)的流固耦合求解器，研究了彈簧支撐等邊三角柱的雙自由度流致振動問題，揭示了來流攻角對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)和尾流形態(tài)的影響規(guī)律，重點分析了三角柱振幅、振動頻率、振動軌跡、水動力特征參數(shù)、結(jié)構(gòu)表

5、面壓力分布和渦量分布的變化規(guī)律和特征。
　　此外，利用開發(fā)的流固耦合求解器，研究了靜止大圓柱下游的彈簧支撐小圓柱尾激振動問題，詳細(xì)分析了雷諾數(shù)、折合速度和自由度對下游小圓柱的動力響應(yīng)和尾流模式的影響規(guī)律。通過分析可視化瞬時流場，揭示了流動干擾作用下結(jié)構(gòu)的尾激振動機制。
　　最后，利用開發(fā)的流固耦合求解器，研究了靜止圓柱下游的柔性板尾激振動問題，主要考察了結(jié)構(gòu)間距比對間隙流動模式和柔性板振動特性的影響，同時也闡明了柔性板周圍壓