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《军事科学院》 2019年
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典型颤振问题中的流固耦合计算方法研究与应用

王昊  
【摘要】:基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamic,简称CFD)和计算结构动力学(Computational Structure Dynamic,简称CSD)耦合的气动弹性时域分析方法直接从气动弹性问题的耦合本质出发,能够满足对复杂气动弹性问题更精细化数值模拟的需求,是目前气动弹性问题分析的重要手段和发展方向。但计算量过大的问题在一定程度上限制了其在工程中的应用,因此提高耦合计算时间精度,发展高效的气动弹性分析方法,是一项重要研究内容。为提高气动弹性时域分析的时间精度进而提高计算效率,本文对流固耦合计算方法进行了深入研究,以期通过合理的流程设计减小计算量并实现二阶时间精度的耦合计算。本文主要通过理论分析和数值计算相结合的方式进行研究。首先对文献中已提出的耦合方法进行理论研究,确定耦合计算流程,在此基础上提出了一种二阶精度松耦合方法的构造原则和一种新的紧耦合计算流程,从而构造了新的二阶精度耦合方法,并对所涉及方法基于结构局部截断误差进行理论时间精度分析。随后,基于亚跨超声速CFD软件平台(Trip)气动弹性分析模块编写相关程序实现理论分析中涉及的耦合方法,对二维颤振标模Isogai Wing的颤振问题进行数值模拟,对比分析不同耦合方法的计算结果并采用基于广义Richardson外插的数值方法分析耦合计算精度。理论分析和数值计算的结果表明:通过本文提出的二阶精度松耦合方法构造原则能够构造二阶时间精度的松耦合方法,该方法相比于紧耦合方法和传统松耦合方法在程序改动量、时间精度和计算效率上具有一定的优势,具备实用价值。最后,从实际应用的角度出发,将构造的二阶精度松耦合方法应用于三维模型颤振计算进行验证,得到了合理的计算结果。本文共分为七章:第一章为绪论部分,首先介绍了本文的研究背景,讨论了流固耦合计算方法研究的重要意义;随后介绍了耦合计算方法的分类,以及各类方法的特点及发展现状;最后对本文主要内容进行了简要介绍。第二章主要介绍了气动弹性问题计算中涉及的计算方法。根据气动弹性计算模块的各个功能单元依次介绍了:流场求解器的控制方程及离散方法,结构求解器的控制方程及数值解法,动网格方法和界面插值技术。第三章主要对耦合方法进行理论分析。对本文涉及的耦合方法流程进行了介绍,并分析了耦合方法时间精度的影响因素;基于新提出的一种二阶精度松耦合方法的构造原则和一种新的紧耦合计算流程,构造了二阶精度的松耦合方法和新的紧耦合方法;基于结构的局部截断误差对所涉及耦合方法时间精度进行了理论分析。第四章主要通过数值试验对耦合方法进行分析。基于TRIP软件现有气动弹性计算模块,编写相关程序实现理论分析中涉及的耦合方法,使用程序分析了二维颤振标准模型Isogai wing的颤振特性,并验证了计算结果的可信度。综合分析了不同时间步长下不同耦合方法的计算结果,结合理论分析结论,对不同耦合方法进行了对比和评价。第五章基于广义Richardson外插法进行时间精度分析。基于广义Richardson外插法建立了时间精度验证方法,对二维算例计算结果进行了分析。第六章将本文构造的二阶松耦合方法应用至三维算例的计算,分析三维颤振模型AGARD 445.6 Wing、BSCW和CHN-T1的颤振问题,验证计算结果。第七章概括总结了本文的主要研究内容和结论,提炼了本文研究的创新点,对本文没有解决的问题以及后续需要开展的研究工作进行了总结和展望。
【学位授予单位】:军事科学院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:V211.47

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