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结构物运动与变形下的流场模拟与网格技术研究

张夏萍  
【摘要】: 流场模拟是利用计算流体动力学研究流体运动性态的关键问题之一。流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉形成的一门力学分支,是研究流体与固体两种介质间相互作用的重要手段。本文旨在提出非结构化动网格技术,系统研究结构物在运动与变形条件下的流场数值模拟。 在非结构化动网格技术中,提出了改进弹簧近似法。对网格形状与尺度进行修正,以克服在较大变形情况下弹簧近似法易发生网格错位和扭曲的缺点。以二维和三维的动网格问题为例,验证了本文动网格技术,结果表明:改进弹簧近似法可保证结构物在较大运动或变形条件下,边界周围不产生失效网格且网格保持较好的质量。 在流体模拟中,构建了稳定化有限元大涡模拟方法。将经典Smagorinsky亚格子大涡模拟模型与流线迎风Petrov-Galerkin (SUPG)稳定化方法相结合,得到求解不可压缩粘性湍流的有限元列式。空间离散采用速度和压力同阶差值的有限元离散方法,时间离散采用高精度的显式三步有限元方法,压力求解采用求解不可压缩条件推导的Poisson方程。计算显示,本方法可有效描述高雷诺数下的不可压缩粘性湍流;结合SUPG稳定化方法后,在较粗网格条件下,可有效抑制对流项引起的速度场和压力场的数值振荡。 将静止网格上的有限元数值离散方法推广至动网格形式,建立了动网格上的数值离散方法。通过任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法将网格更新技术与显式三步SUPG稳定化有限元大涡模拟方法结合,模拟分析结构物多种边界运动情况下的流场流动。


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