基于CIP方法的流固耦合模型及其应用

作     者：段松长 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈佳轶;赵西增

授予年度：2019年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：计算流体力学 VOF方法 有限单元法 虚拟单元法 CIP方法 

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。