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热流固耦合问题的es-fem-ISPH耦合方法模拟研究

热流固耦合问题的ES-FEM-ISPH耦合方法模拟研究

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作者：粟学成广西大学

学位级别：硕士

热流固耦合(Thermal fluid structure interaction,TFSI)问题广泛存在于工程领域以及日常生活中,比如航空航天、玻璃生产、能源、电子设备散热等。在热流固耦合问题中,同时存在着热-流体耦合、热-固体耦合和流体与固体相互作用,这是一... 详细信息

热流固耦合(Thermal fluid structure interaction,TFSI)问题广泛存在于工程领域以及日常生活中,比如航空航天、玻璃生产、能源、电子设备散热等。在热流固耦合问题中,同时存在着热-流体耦合、热-固体耦合和流体与固体相互作用,这是一个非常复杂的高度非线性问题,该类问题很难通过数学方法获得解析解,同时也很难通过做实验的方式得到理想的结果。因此,发展一种有效且准确地求解热流固耦合问题的数值模拟方法有着很大的应用价值和前景。目前,热流固耦合问题的数值模拟主要基于网格类方法,通常采用拉格朗日网格求解固体域和欧拉网格求解流体域,包括任意拉格朗日欧拉法和侵入边界法等方法。然而,欧拉网格在处理自由表面和移动界面存在一定的困难。拉格朗日网格求解热流固耦合问题可以自然追踪自由表面与运动界面,相比欧拉网格有特殊优势。本文发展基于边的光滑有限元法(Edge based smoothed finite element method,es-fem)与不可压缩光滑粒子流体动力学(Incompressible smoothed particle hydrodynamics,ISPH)耦合方法,在统一拉格朗日描述下求解热流固耦合问题,可望为该问题的求解提供一种有效的数值模拟方法。论文的主要工作和研究内容如下:(1)介绍了SPH的基本原理,包括函数的积分表示法和粒子近似法、方程离散形式、修正技术等。研究ISPH的压力求解方法,采用速度散度为零和投影法建立压力泊松方程,通过求解压力泊松方程求解压力,从而获得光滑压力场,避免压力振荡。研究ISPH方法修正技术,引入了核梯度修正(Kernel gradient correction,KGC)算法和粒子位移技术(Particle shifting technique,PST)提高计算时的精度和稳定性。(2)提出了模拟热流固耦合问题的es-fem-ISPH耦合方法。研究热流固耦合界面处理方法,其中包括流固耦合边界处理算法和热流固耦合共轭传热算法,使用基于虚粒子的热流固耦合界面处理方法能在流体与固体边界处满足运动学条件、动力学条件、能量守恒条件及温度连续性条件。提出模拟热流固耦合问题的es-fem-ISPH耦合方法,并通过数值算例对es-fem-ISPH耦合方法进行了有效性和准确性的验证。(3)基于es-fem-ISPH耦合方法对腔内带弹性结构的自然对流传热的热流固耦合问题开展了机理性研究。研究弹性结构及热流固耦合作用在不同条件或参数下,对腔内自然对流传热的影响,包括温度边界条件、流体的比热容和热传导率以及弹性结构的长度、厚度、比热容、热传导率和杨氏模量等。

关键词：热流固耦合 es-fem ISPH 耦合方法

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