【摘要】：流固耦合在許多實際工程領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用,如潰壩、液艙晃蕩、入水沖擊等�，F(xiàn)有的流固耦合分析計算方法大多基于網(wǎng)格的計算方法。基于網(wǎng)格信息的方法用于處理大變形自由表面、液面破損、彈性結(jié)構(gòu)大變形和結(jié)構(gòu)損傷等問題時,網(wǎng)格會產(chǎn)生嚴(yán)重的扭曲變形,從而導(dǎo)致較大的計算誤差甚至計算終止。移動粒子半隱式方法(MPS)就是將計算域用相互作用的Lagrange粒子來進行離散,該方法不受網(wǎng)格的約束,所以非常適合求解流固耦合計算中的大變形問題。MPS法早期研究的重點主要側(cè)重于流體方面的計算,而對于流固耦合方面的研究較少。MPS法計算非線性大變形方面的優(yōu)勢已經(jīng)逐漸引起科學(xué)界的廣泛關(guān)注,目前采用MPS法計算流固耦合問題已經(jīng)有了一些初步的研究。在實際工程中,液體自由表面通常是復(fù)雜的湍流。大渦模擬是研究湍流問題的一種非常重要的數(shù)值方法。本文將MPS法和大渦模擬進行耦合對湍流問題進行計算。本文在移動粒子半隱式法核函數(shù)連續(xù)性的基礎(chǔ)上,采用統(tǒng)一的MPS粒子將宏觀流體和固體按一定的形式離散,由于流體和固體采用同一種離散方法,非常好的解決了計算流固耦合問題時坐標(biāo)系的協(xié)調(diào)問題。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)MPS法的特點采用了一種全新的流固耦合計算流程,該方法通過分別賦值的方式,對流體和固體粒子進行識別,采用這種計算方法不用對流固耦合交界面做單獨處理,極大的簡化了處理程序。針對MPS算法計算流固耦合問題時的壓力振蕩現(xiàn)象,采用了一種新的壓力緩解方法,在原壓力計算的泊松方程中加入了自由擴散條件的作用項,以此緩解壓力的振蕩性,并在計算完成后再進行面積-時間平均。從計算結(jié)果可以看出,該方法可以極大地減小壓力振蕩現(xiàn)象。由于MPS法粒子具有拉格朗日性,所以在計算流固耦合問題時常常會伴有固體被流體粒子穿越的狀況出現(xiàn),而這一現(xiàn)象會對造成數(shù)值計算結(jié)果不準(zhǔn)確。本文針對該現(xiàn)象,編寫了預(yù)防粒子穿越的修正程序,該程序在實際運算過程中發(fā)揮了非常好的效果。大多數(shù)無網(wǎng)格算法驗證都優(yōu)先選用潰壩模型,潰壩問題是一種比較典型的算例,模型較為簡單,且具有一定的通用性和代表性,由于其在模擬計算過程中會產(chǎn)生較大的變形,所以非常適合無網(wǎng)格算法可行性的驗證。本文利用MPS法求解大變形問題的優(yōu)勢,采用MPS法結(jié)合大渦模擬,通過設(shè)置彈性擋板對數(shù)值計算中最為典型的潰壩流固耦合問題做了模擬,對MPS法計算潰壩流固耦合問題數(shù)值結(jié)果的收斂性做了驗證。對比發(fā)現(xiàn)MPS-LES-FSI的計算結(jié)果和實驗結(jié)果非常的接近。液艙中設(shè)置彈性阻尼擋板是一種非常有效的減晃措施,液艙晃蕩與彈性防晃結(jié)構(gòu)的耦合減晃效應(yīng)一直是船舶與海洋工程中的一個極為重要的課題。潰壩問題中彈性結(jié)構(gòu)僅在水流沖擊作用下發(fā)生變形,而液艙晃蕩問題中,首先液艙和彈性擋板簡諧橫搖運動引起液體受迫晃蕩,流體與結(jié)構(gòu)耦合邊界本身隨時間運動,相對于潰壩問題的固定彈性檔板,移動交界耦合面的液艙晃蕩問題更為復(fù)雜。本文采用MPS-LES-FSI法對液艙晃蕩的耦合減晃效應(yīng)進行分析研究,計算結(jié)果表明MPS法的模擬結(jié)果均同實驗結(jié)果保持著較高的一致性。研究表明,液艙內(nèi)部設(shè)置擋板后會對液體產(chǎn)生明顯的阻尼作用,減小液體艙壁的沖擊壓力,提高液艙結(jié)構(gòu)的安全性。船舶在風(fēng)浪中航行時,船體會與水面產(chǎn)生較大的砰擊載荷,經(jīng)常導(dǎo)致發(fā)生船體破壞事故。船舶入水砰擊是一個非常復(fù)雜的瞬態(tài)過程,由于船舶入水沖擊的非定常性、自由液面的非線性以及入水過程伴有噴濺等非連續(xù)現(xiàn)象的產(chǎn)生。而且入水砰擊涉及大變形、高應(yīng)變甚至破壞等難點問題,傳統(tǒng)的數(shù)值方法模擬砰擊入水的流固耦合問題時面臨著非常大的難度。本文利用MPS法不受網(wǎng)格約束的優(yōu)勢,采用MPS法對彈性結(jié)構(gòu)物在水流撞擊作用下的流固耦合及結(jié)構(gòu)破壞過程做了模擬計算,對不同參數(shù)影響下入水砰擊的計算結(jié)果進行了綜合地分析研究,并對數(shù)值模擬方法的可靠性做了驗證。本文對盒式結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置肋板以便減小結(jié)構(gòu)變形提高平板的安全性,計算結(jié)果表明盒式結(jié)構(gòu)物設(shè)置肋板后,對盒式結(jié)構(gòu)物的入水沖擊壓力并無太大影響,但是可以明顯減小結(jié)構(gòu)變形,提高結(jié)構(gòu)安全性。本文對流體和固體采用MPS粒子進行離散,將大渦模擬與MPS方法相結(jié)合,提出了一種新的MPS-LES-FSI無網(wǎng)格算法,同時通過大量的數(shù)值模擬,證明本方法計算流固耦合大變形問題具有較強的通用性和穩(wěn)定性,并且利用該方法的無網(wǎng)格優(yōu)勢對結(jié)構(gòu)破壞問題做了模擬計算。所以該方法可以作為流固耦合大變形分析的一種新的技術(shù)手段。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U661.4
【圖文】：

圖 1-1 流體和固體的相互影響關(guān)系Figure 1-1 Interaction between fluid and solid洋工程領(lǐng)域中一般都是通過流固耦合交界面平衡和協(xié)調(diào)來進行算。圖 1-1 是流固耦合問題中各種因素之間的相互作用情況。圓分別代表了流體和固體。在兩個圓相切處, 采用一個小圓對。流體和固體的相互影響通過耦合界面進行。在流固耦合交界運動都是未知的，對耦合系統(tǒng)進行求解之后, 才能得出具體的對以上流固耦合界面連續(xù)情況，大多是根據(jù)流體和固體控制方求解計算。在結(jié)構(gòu)力學(xué)研究中，有限元方法應(yīng)用最為廣泛。而差分法和有限體積法應(yīng)用的較為普遍。流場和結(jié)構(gòu)場通過交換

種典型的核函數(shù)的曲線

第 28 頁圖 2-2 核函數(shù)的作用范圍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個非常關(guān)鍵的計算模型。任為：

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2766265