基于格子Boltzmann方法水下流—固—声耦合问题的数值建模方法研究

论文摘要

在许多海洋工程应用中,流固耦合效应对水下声产生和传播有重要影响,譬如潜艇螺旋桨流噪声、艇身消声覆盖层声散射、海底沉积物声散射等。特别是在新型水下声隐身和声探测技术应用的背景下,如何认识流体、固体及声场的耦合机理显得更为重要,同时也对相关数值建模方法提出了更高的要求。考虑到问题本身的复杂性,传统数值方法在处理该类问题时存在一定限制,相比而言,格子Boltzmann方法（lattice Boltzmann method,LBM）由于具有高效处理动边界且数值弥散和耗散低的特点,在水下声场计算中有巨大潜力。鉴于此,本文以潜艇相关的声散射和流噪声问题为应用背景,利用LBM这一先进工具,开展针对水下流—固—声耦合问题的数值建模方法研究,主要研究工作如下:1.针对存在动边界的流固耦合问题,提出一种基于力修正的浸没边界—格子Boltzmann方法（immersed boundary-lattice Boltzmann method,IB-LBM）。该方法对流场采用LBM求解,对于流体和固体的稱合采用浸没边界方法（immersed boundary method,IBM）处理。通过引入一个力修正系数,使本文模型相比于基于传统的直接力法可更精确地满足边界无滑移条件。与此同时,本文方法为显式格式,相比于隐式浸没边界法可节约大量计算量,因此该方法兼得了隐式方法精确度高和显式方法计算量低的优点。在数值试验中,计算了从简单的静止边界,到更为复杂的运动边界和变形边界的流固耦合问题,并通过与传统浸没边界方法对比验证了本文方法的精确性和计算效率。2.针对存在大变形固体的流固耦合问题,提出一种IB-LBM和光滑点插值法（smoothed point interpolation method,S-PIM）的耦合模型。由于采用梯度光滑技术,S-PIM相比于传统有限元法可以更精确地处理存在大变形的固体。同时,提出基于时间平均技术的耦合模式,显著提高了方法的鲁棒性。在数值实验中,计算了稳态和非稳态的大变形流固耦合问题,并通过与传统浸没边界方法及有限元法的对比,验证了本文方法有更好的精确度,稳定性和计算效率。3.基于本文IB-LBM,开展以流固耦合为背景的声散射计算模型研究。该计算模型采用直接模拟方法对流场求解,声场作为流场信息的一部分获得。相比于传统方法,本文模型能够刻画流体固体的耦合效应对散射声场的影响。针对静止曲边界,运动曲边界声散射问题,将本文方法与传统IB-LBM对比,验证本文方法具更高的精确度和计算效率。在此基础上,计算了弹性体声散射问题,讨论固体弹性对散射声场的影响。与此同时,通过本文方法准确地捕捉到运动颗粒的多普勒效应,进一步验证模型对以流固耦合为背景的声散射问题有效性。4.基于本文IB-LBM,开展以流固耦合为背景的流噪声计算模型研究。该计算模型对近场声场进行直接模拟,有效地刻画了流体和固体的耦合效应,同时通过基于GPU的并行计算模式,显著提高了流体计算效率（相比于串行CPU计算模式,加速比达100倍以上）;最后,通过基于KFWH方程的声比拟方法,实现对远场声压的预报。基于上述模型,本文针对旋转椭圆柱声辐射和点声源传播问题进行数值模拟,初步验证直接模拟和混合模拟的有效性。在此基础上,计算了三维弹性旋转体流噪声辐射问题,讨论了固体弹性对声压频谱,指向性和远场衰减的影响,进一步验证了本文模型对以流固耦合为背景的流噪声辐射问题的有效性。

论文目录

摘要

Abstract

主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 流固耦合数值建模研究现状

1.2.2 流噪声及声散射数值建模研究现状

1.2.3 基于格子Boltzmann方法的水下声场数值建模研究现状

1.2.4 小结

1.3 研究内容

2 格子Boltzmann方法基本模型及声场计算

2.1 格子Boltzmann方法基本模型

2.2 格子Boltzmann方法边界条件处理

2.2.1 启发式

2.2.2 动力学格式

2.2.3 外推插值格式

2.3 基于格子Boltzmann方法的声场计算

2.4 小结

3 基于力修正的浸没边界—格子Boltzmann方法

3.1 浸没边界—格子Boltzmann方法

3.2 基于直接力法的浸没边界—格子Boltzmann方法

3.3 基于隐式速度修正的浸没边界—格子Boltzmann方法

3.4 基于力修正的浸没边界—格子Boltzmann方法

3.5 算例验证

3.5.1 无量纲化过程

3.5.2 Taylor-Green涡

3.5.3 二维Couette流和Poisueille流

3.5.4 静止圆柱绕流

3.5.5 两小球DKT

3.5.6 剪切流中胶囊变形

3.5.7 算例小结

3.6 小结

4 浸没边界—格子Boltzmann方法耦合光滑点插值法

4.1 光滑点插值法

4.1.1 固体控制方程

4.1.2 非线性本构模型

4.1.3 S-PIM中的梯度光滑技术

4.2 耦合模型

4.2.1 时间平均技术

4.2.2 耦合算法流程

4.2.3 耦合算法小结

4.3 算例验证

4.3.1 圆柱Couette流

4.3.2 流管中的梁

4.3.2.1 刚性梁

4.3.2.2 弹性梁

4.3.3 圆柱后弹性梁

4.3.4 仿生鱼自主游动

4.4 小结

5 基于浸没边界—格子Boltzmann方法的声散射计算模型

5.1 声场直接模拟控制方程

5.1.1 流体控制方程

5.1.2 固体控制方程

5.2 声场直接模拟数值方法

5.2.1 控制方程数值求解

5.2.2 吸声边界层

5.2.3 求解流程

5.3 典型声辐射和声散射问题解析解

5.3.1 脉动圆柱声辐射

5.3.2 静止刚性圆柱声散射解析解

5.4 算例验证

5.4.1 脉动圆柱振动声辐射

5.4.2 静止刚性圆柱声散射

5.4.3 水下弹性颗粒声散射

5.4.4 运动颗粒声散射

5.5 小结

6 基于浸没边界—格子Boltzmann方法的流噪声数值模拟

6.1 基于GPU并行的IB-LBM流噪声直接模拟方法

6.1.1 基于GPU并行的IB-LBM计算模式

6.1.2 基于GPU并行的IB-LBM算例验证

6.2 基于KFWH/LBM流噪声混合模拟方法

6.2.1 基于KFWH方程的声比拟方法

6.2.2 基于KFWH/LBM混合模拟方法

6.2.3 算例验证

6.3 水下三维弹性旋转椭圆球流噪声计算

6.4 小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 创新点总结

7.3 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 蔡堉楠

导师: 黎胜,鲁建华

关键词: 流固耦合,大变形固体,声散射,流噪声,格子方法,浸没边界方法,光滑点插值法

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 大连理工大学

基金: 国家自然科学基金项目(51479079)

分类号: P75

总页数: 155

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