發(fā)布時(shí)間：2020-06-08 09:13

【摘要】：流體與結(jié)構(gòu)相互作用問題是多分支學(xué)科的交叉融合,是船舶與海洋工程中最典型的力學(xué)問題之一。在新型船舶與海洋工程裝備開發(fā)過程中,會(huì)涉及到各種各樣復(fù)雜的流固耦合問題,如水下立管的渦激振動(dòng)問題、液艙晃蕩問題及結(jié)構(gòu)物高速入水砰擊問題等等,這些問題都對(duì)計(jì)算技術(shù)和計(jì)算方法提出了更高的要求。目前任意拉格朗日歐拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)算法是應(yīng)用較為廣泛的流固耦合數(shù)值算法,然而在模擬流固耦合問題涉及到固體大變形、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及接觸現(xiàn)象時(shí),需要進(jìn)行流域網(wǎng)格調(diào)整甚至重新生成,這個(gè)過程繁瑣耗時(shí)且網(wǎng)格的頻繁變形導(dǎo)致其質(zhì)量下降結(jié)果精度降低。浸沒邊界法(Immersed Boundary Method,IBM)采用非貼體網(wǎng)格離散固體邊界,避免了移動(dòng)邊界帶來的流域網(wǎng)格變形問題,為解決復(fù)雜流固耦合問題指引了新的方向并促進(jìn)了浸沒方法的發(fā)展。在浸沒方法框架內(nèi),有限元法(Finite Element Method,FEM)是處理固體運(yùn)動(dòng)與變形經(jīng)常采用的求解器,而傳統(tǒng)FEM采用低階單元時(shí)兼容應(yīng)變連續(xù)性差、計(jì)算精度低,限制了簡(jiǎn)單三角形或四面體單元的應(yīng)用�；趶V義梯度光滑技術(shù)的光滑點(diǎn)插值法(Smoothed Point Interpolation Method,S-PIM),結(jié)合了 FEM 和無(wú)網(wǎng)格法的優(yōu)勢(shì),解決了長(zhǎng)久困擾FEM的由于模型剛度過硬帶來的一系列問題,顯著提高了基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的計(jì)算性能,在固體力學(xué)線性與非線性問題中表現(xiàn)出良好性能。本文基于浸沒方法框架下,耦合基于線性背景網(wǎng)格的S-PIM模擬非線性固體大變形,開發(fā)出適用于不同流固耦合問題的數(shù)值算法。主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)在詳細(xì)介紹了 S-PIM的不同光滑域構(gòu)造格式及非線性固體材料模型和詳細(xì)求解流程基礎(chǔ)上,基于浸沒方法框架下耦合S-PIM提出了浸沒光滑點(diǎn)插值法(Immersed S-PIM,IS-PIM)。方法采用半隱式特征線分裂(Characteristic-Based Splitting,CBS)算法求解不可壓縮粘性流體,通過引入虛擬流體計(jì)算耦合力,在處理二維問題時(shí)流固兩相均采用簡(jiǎn)單的三角形單元離散,同時(shí)構(gòu)造高階插值格式用以實(shí)現(xiàn)流固界面處信息交換,能夠發(fā)揮浸沒方法處理復(fù)雜移動(dòng)邊界時(shí)無(wú)需網(wǎng)格重構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。通過數(shù)值算例驗(yàn)證了 IS-PIM在模擬大變形流固耦合問題的準(zhǔn)確性和有效性。接著將IS-PEM應(yīng)用于帶分流板的圓柱尾流控制問題,考慮了與圓柱不同間距的分流板分別為剛性和柔性及單體和雙體時(shí)平均阻力系數(shù)和斯托哈爾數(shù)變化趨勢(shì),分析了相應(yīng)情況下分流板抑制圓柱尾渦的生成和脫落機(jī)理,同時(shí)比較了不同形式下分流板減阻效果及變化規(guī)律。(2)在IS-PIM基礎(chǔ)上,通過進(jìn)一步采用點(diǎn)基局部光滑點(diǎn)插值法(Node-based Partly S-PIM,NPS-PIM)作為固體求解器,提出了浸沒點(diǎn)基局部光滑點(diǎn)插值法。NPS-PIM將模型軟化程度較高的點(diǎn)基光滑點(diǎn)插值法和模型剛度偏硬的FEM相結(jié)合,基于點(diǎn)基局部梯度光滑技術(shù)得到適當(dāng)軟化的模型剛度非常接近精確解剛度,進(jìn)而提高了流固耦合模型模擬大變形固體的準(zhǔn)確性。尤其是在模擬固體扭曲變形嚴(yán)重的流固耦合問題時(shí),流固耦合模型中因固體模型剛度不同會(huì)導(dǎo)致位移結(jié)果的顯著差異,而本文提出的浸沒點(diǎn)基局部光滑點(diǎn)插值法仍然能夠提供與參考解非常接近的數(shù)值結(jié)果。(3)針對(duì)CBS算法作為流體求解器需要求解壓力泊松方程、非常耗時(shí)并且占用大量計(jì)算資源的問題,采用演化方程簡(jiǎn)單且計(jì)算高效的格子玻爾茲曼法(Lattice Boltzmann Method,LBM)作為流體求解器,提出了 LBM與S-PIM耦合算法。在模擬不可壓縮粘性流體流動(dòng)時(shí),LBM計(jì)算時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CBS,同時(shí)結(jié)果準(zhǔn)確性也好于CBS的結(jié)果。數(shù)值結(jié)果顯示,本文提出的LBM與S-PIM耦合算法在浸沒方法框架下能夠有效處理復(fù)雜移動(dòng)邊界,在較大的流固網(wǎng)格比范圍內(nèi)能夠保持?jǐn)?shù)值穩(wěn)定性,計(jì)算簡(jiǎn)單效率高,在相同條件下比LBM與FEM耦合算法的結(jié)果精度高,具有大規(guī)模計(jì)算的潛力。(4)為有效模擬自由液面翻卷與破碎等強(qiáng)非線性流固耦合問題,利用光滑粒子水動(dòng)力學(xué)(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)法作為流體求解器,提出了 SPH 與 S-PIM耦合算法。與IS-PIM中虛擬流體引入方式相同,在固體域內(nèi)引入虛粒子利于施加流固耦合條件,采用改進(jìn)的耦合動(dòng)力學(xué)邊界條件處理固壁,采用密度正則化改進(jìn)壓力結(jié)果,提高了壓力場(chǎng)求解的穩(wěn)定性。在潰壩、晃蕩和高速入水砰擊問題中,驗(yàn)證了 SPH與S-PIM耦合算法能夠有效地處理同時(shí)涉及自由液面大變形和固體大變形的流固耦合問題。
【圖文】：

學(xué)技術(shù)的發(fā)展和海洋裝備關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。在海洋工程裝備及高技術(shù)船舶研發(fā)過程中，逡逑廣泛存在著流體與結(jié)構(gòu)相互作用現(xiàn)象，由此帶來的各種流固耦合問題一直以來都制約著逡逑生產(chǎn)實(shí)踐和工程應(yīng)用。在海洋水下油氣開采及運(yùn)輸過程中（圖１．１（ａ）），海洋立管作為主逡逑要連接和輸運(yùn)設(shè)備，在海流和波浪作用下往往發(fā)生渦激振動(dòng)現(xiàn)象（圖１．１（ｂ）），水下長(zhǎng)時(shí)逡逑間的相互作用可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞失效。并且隨著資源的消耗增大和日益匱乏，人們加大逡逑了對(duì)深海石油和天然氣的開發(fā)，此時(shí)復(fù)雜的海洋環(huán)境在整個(gè)水深上對(duì)海洋設(shè)備產(chǎn)生影逡逑響，，這往往使渦激振動(dòng)現(xiàn)象在深水處更加強(qiáng)烈。渦激振動(dòng)現(xiàn)象機(jī)理性的研[傆衫醇壕�，辶x纖且恢值湫偷牧魈逵虢峁刮鎰饔玫牧鞴恬詈銜侍�。曳N坪Ｑ罅⒐芪屑ふ穸侍舛雜諮渝義銑ずＱ笞氨甘褂檬倜淺＞哂惺導(dǎo)室庖�，这也是学諉J槍刈⒌娜鵲鬮侍�。辶x希ǎ幔╁危ǎ猓╁義賢跡保焙Ｑ篤教ǎ保哄澹ǎ幔┯推稍聳�；（ｂ）稽wふ穸侍忮義希疲椋紓澹保卞澹希媯媯螅瑁錚潁邋澹穡歟幔簦媯錚潁恚哄澹ǎ幔╁澹澹穡歟錚椋簦幔簦椋錚鑠澹幔睿溴澹簦潁幔睿螅穡錚潁簦幔簦椋錚鑠澹錚駑澹錚椋戾澹幔睿溴澹紓幔螅誨澹ǎ猓╁澹觶錚潁簦澹義希椋睿洌酰悖澹溴澹觶椋猓潁幔簦椋錚鑠義纖孀盼夜玫目燜俜⒄�，对石油、天赛S確竊偕茉吹男棖罅坎歡顯黽櫻阱義夏茉創(chuàng)⒈贛邢扌枰庸飩誆拍藶閔棖�。海娠@聳涫親釷室說囊恢幟茉叢聳浞藉義鮮

本文編號(hào)：2702855