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

1、結(jié)構(gòu)物的流致振動(dòng)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(dòng)能量的收集裝置為人類提供新能源。因此，流致振動(dòng)問題一直是國(guó)際上的研究熱點(diǎn)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(jī)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(jì)算程序，并對(duì)幾個(gè)不同的剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)的流致振動(dòng)問題開展數(shù)值模擬研究，重點(diǎn)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(duì)結(jié)構(gòu)流致響應(yīng)的影響

2、規(guī)律和內(nèi)在物理機(jī)制。
　　首先，本文建立了求解層流、湍流流動(dòng)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(yàn)證計(jì)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(dòng)計(jì)算問題。
　　其次，在

3、處理動(dòng)網(wǎng)格問題時(shí)，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(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在處理周期性振動(dòng)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(dòng)提供了有效的計(jì)算手段。具體包括：為處理流場(chǎng)動(dòng)邊界問題，將建立的流體運(yùn)動(dòng)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(duì)剛體運(yùn)動(dòng)方程的求解，采用了顯式時(shí)間積分算法；對(duì)于柔性

4、結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)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(dòng)力有限元方程；將流體求解模塊、結(jié)構(gòu)求解模塊與動(dòng)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(dòng)問題，揭示了來流攻角對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)和尾流形態(tài)的影響規(guī)律，重點(diǎn)分析了三角柱振幅、振動(dòng)頻率、振動(dòng)軌跡、水動(dòng)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(dòng)問題，詳細(xì)分析了雷諾數(shù)、折合速度和自由度對(duì)下游小圓柱的動(dòng)力響應(yīng)和尾流模式的影響規(guī)律。通過分析可視化瞬時(shí)流場(chǎng)，揭示了流動(dòng)干擾作用下結(jié)構(gòu)的尾激振動(dòng)機(jī)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(dòng)問題，主要考察了結(jié)構(gòu)間距比對(duì)間隙流動(dòng)模式和柔性板振動(dòng)特性的影響，同時(shí)也闡明了柔性板周圍壓