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流固耦合作用的弱耦合算法及风与薄膜结构的耦合分析

王彬  
【摘要】: 薄膜结构在风荷载作用下的流固耦合问题是结构风工程研究的热点问题之一。本文采用基于计算流体动力学(CFD)和计算结构动力学(CSD)方法的弱耦合算法进行结构与流体(主要是风)的流固耦合数值模拟,即在每一时间步内分别对流体方程和结构运动方程交替迭代求解,通过把第一个物理场的计算结果作为外荷载施加于第二个物理场来实现两个场的耦合。论文的主要工作如下: 1.作为数值模拟技术的基础,首先研究了计算流体动力学(CFD)的基本控制方程,完成了质量守恒方程和动量守恒方程的推导过程。对基于CFD的数值风洞关键基础和技术进行研究分析,阐述了CFD的基本思想,研究了基于有限体积法的控制方程的离散方法以及流场的数值求解的PISO算法。对于风的湍流特性的模拟采用了基于Reynolds时均方程的标准k—ε方程,完成了标准k—ε方程推导过程。 2.研究了弱耦合算法的迭代求解过程,主要包括结构求解器、流体求解器和控制程序三个基本要素。根据所提供的CSD和CFD网格的信息,采用桶式搜索算法和各种匹配标准来确定不同的程序之间的传递路径,建立起内插耦合参量。 3.针对流固耦合界面的数据信息的传递和交换,研究了将荷载信息从流体网格传输到结构网格上的积分算法以及将结构的几何变形传输到流体网格的守恒算法。采用插值方法使采用不同的空间和时间离散方法的流体和结构的求解同步化,成功地解决了两种软件程序之间的计算数据的信息交换问题。 4.采用动网格技术实现CFD网格随着结构的运动和变形而相应变形,编制了相应的程序使整个流体区域的网格不因边界的运动而导致单元畸变。 5.基于上述平台对薄膜结构和风荷载的流固耦合效应进行计算研究,验证了本文的弱耦合算法的可行性。算例分析表明,数值风洞方法是求解风与结构相互作用问题的一种有效方法,为我们下一步进行数值模拟和实验观测数据的比较奠定了基础。


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