结构入水问题的流固耦合仿真分析

作     者：陈福 

作者单位：清华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：葛东云

授予年度：2008年

学科分类：08[工学] 080103[工学-流体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：流固耦合 结构入水 ALE算法 数值模型 仿真 

摘      要：流固耦合问题是自然界普遍存在的物理现象,它的具体形式多种多样。本文在查阅了很多相关文献的基础上,对流固耦合的概念、分类以及国内外在该领域的研究进展情况进行了介绍。 本文重点研究结构入水这一典型的流固耦合问题。论文首先介绍了研究该问题三种主要方法:解析方法、实验方法和数值方法。在方法中着重介绍了数值方法中的ALE算法。该算法兼具Lagrange方法和Euler方法二者的特长,即在结构边界运动的处理上,引进了Lagrange方法的特点,因此能够有效地跟踪物质结构边界的运动;在流场网格的划分上,它吸收了Euler方法的长处,使流体网格单元独立于物质实体的存在,但它和Euler网格不同之处在于网格可以根据定义的参数在求解过程中适当调整位置,从而避免网格出现严重的畸变。这种方法在分析大变形问题时非常有利,可以处理整个物体有空间的大位移并且本身有大变形等问题。 在ALE方法的基础上,本文采用大型分析软件LS-DYNA进行建模、计算,并进行了相关的结果分析。数值模型由水、空气和楔形结构三部分组成,其中水和空气采用欧拉网格建模,楔形结构采用拉格朗日网格建模。水和空气的单元类型选用3D SOLID 164,薄板的选用Thin Shell 163。论文采用典型的楔形结构,对不同入水速度、不同结构材料、不同厚度、不同角度以及不同的结构形状的入水问题进行了详细地分析,给出了结构在入水过程中的变形过程、应力变化以及结构入水过程中流场的变化规律,得出楔形结构入水问题中结构自由振动的幅度较大,而结构应力场和应变场则在入水瞬间达到最大值,然后呈现振荡变化。流场的速度则以着水点为圆心,距着水点越远流场速度变化幅度越大。通过比较分析,得到入水速度越大、板子的厚度越小、入水角度越小则结构的变形越大,而不同的材料对结构的变形和受力也会有很大影响。在此基础上,对球形物体、封口与不封口两种情况的平底物体以及大尺寸物体的入水过程进行了分析和讨论,并与楔形体入水进行对比,分别得出了各种情况下的入水特点。