基于CIP方法的流固耦合模型及其应用

论文摘要

在恶劣海况下,海洋结构物会因波流作用而出现鞭振和弹振等复杂的水弹性现象,水体的冲击荷载或循环荷载,会引起结构物的受损甚至失稳。水弹性问题中涉及结构大变形及液体的破碎、飞溅、融合等复杂现象,具有很强的非线性,难以用解析法求解。试验研究成本高、耗时长,对实验仪器要求高、测量难度大,数值模拟成为求解此问题的重要手段。有限差分-有限元耦合方法既可在固定网格下有效捕捉水质点的剧烈变化,避免网格畸变,又能高精度地求解固体域和构造复杂边界,在模拟流固耦合问题方面具有独特优势,其难点在于流固求解器的耦合处理。本研究拟通过引入基于虚拟单元的浸入边界法构建流固耦合模型,并将其应用于相关水弹性问题的研究。首先,对流固两相求解器进行介绍。流场求解采用基于CIP（Constrained Interpolation Profile）方法的有限差分粘性流模型,该模型在求解流场时具有计算速度快、精度高的特点,使用流体体积分数法捕捉自由面;结构求解采用有限元法,使用共旋坐标法和纽马克法处理结构非线性变形和动力响应。将自编程的结构求解器用于分析悬臂梁在静、动荷载下的变形响应,验证结构求解器在求解结构大变形问题方面的求解精度。随后,引入基于虚拟单元的浸入边界法耦合流固两相求解器,通过虚拟单元识别流固交界面。虚拟单元信息通过“六点插值”法赋值,满足流固交界面处的无滑移及不可“穿透”边界条件。将本文的有限差分-有限元耦合模型用于“弹性板在时变水压作用下的变形”及“液舱晃荡中弹性挡板和流体的相互作用”算例的模拟,验证其在分析流体和弹性结构相互作用方面的可行性和求解精度。最后,采用本文的有限差分-有限元耦合模型开展“弹性分流板抑涡性能”的研究和“弹性竖直消波板消波性能”的研究。对于前者,研究发现,相比刚性分流板,弹性分流板可降低柱体阻力和涡脱频率,但会使柱体升力增加。在特定刚度下,随着板长的增加,分流板的振动会出现“一阶模态”和“二阶模态”。对于后者,研究发现,竖直消波板的相对板长对消波性能的影响较大;同一板长下刚性板的消波性能优于弹性板。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 段松长

导师: 沈佳轶,赵西增

关键词: 计算流体力学,方法,有限单元法,虚拟单元法

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 浙江大学

基金: 国家自然科学基金项目(编号为51479175和51679212),浙江省自然科学基金项目(编号为LR16E090002)

分类号: P75

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000195

总页数: 129

文件大小: 14697K

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