基于内罚间断有限元方法的高精度流固耦合研究

【作者】 肖加兵； 赵明； 丁秋实； 程成； 刘伟； 李孝检； 刘正先；

【机构】 天津大学机械工程学院力学系； 电子科技大学计算机科学与工程学院；

【摘要】 工程中大柔度固体结构的变形通常不可忽略。因此需要引入计算结构动力学(Computational Structural Dynamics,CSD)方法,开展流固耦合(Fluid-Structure Interaction,FSI)仿真。高精度流场仿真方法在该领域具有显著优势。本文在高精度改进内罚间断伽辽金(Interior Penalty Discontinuous Galerkin,IPDG)有限元方法基础上结合结构有限元方法开发了流固耦合求解平台。针对流固边界移动问题,本文采用任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)描述的NS方程(Navier-Stokes equations)和径向基函数(Radial Basis Function,RBF)动网格方法。数值实验表明,RBF方法能够保证流场网格变形后的高质量。针对湍流的精细化模拟,本文引入大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法,并通过湍流槽道流验证了亚格子模型的精度。针对结构动力学模拟,本文采用了非线性有限应变模型和Newmark时间积分方法,并通过悬臂梁在均匀荷载下的动力响应算例验证了该方法的准确性。基于松耦合方法实现CFD和CSD求解交替进行,并通过二维柔性平板单侧超音速无粘流算例验证了该方法的准确性。此外,本文还研究了二维方柱后柔性板的涡激振动问题,并通过设置不同的计算参数,观察到了平板振动的两种模式:极限环振动和混沌振动;并且在平板周围观察到明显的涡流效应。最后,本文对三维圆柱后柔性板振动算例进行了高精度模拟。更多还原