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带自由表面粘性流场与水下结构物动边界流固耦合的数值模拟

章程  
【摘要】:流体与海洋结构物的流固耦合问题是在船舶与海洋工程领域中研究的热点问题。用计算流体力学处理带有复杂自由表面的流体运动以及复杂边界刚体流固耦合是其中的关键问题之一。在传统的基于贴体网格的计算流体力学方法中,该问题在网格处理方面遇到极大的障碍。 为了克服传统贴体网格的缺陷,该论文以不可压缩Navier-Stokes方程有限差分法的数学模型为基础,结合浸入边界法(Immersed boundary method)与VOF方法(Volume of fluid method),建立了一套基于笛卡儿网格,新颖、可靠、快速并且有效的流体数值模拟模型,并发展了相应的大型求解器,较好解决了带自由表面粘性流场与水下结构物动边界流固耦合的数值模拟问题。 利用浸入边界法处理流固耦合问题时,为了满足浸入边界的不可滑移边界条件,在结构物内部网格计算并施加力源项目。浸入边界附近,为了解决浸入边界的拉格朗日网格与流场的欧拉网格不一致的问题,本文使用了双线性内插值格式将拉格朗日网格与欧拉网格联系起来,指定浸入边界附近的流场速度以满足边界条件。 利用VOF方法处理自由表面动边界问题时,运用一组数值在0~1之间的流体体积变量F表征计算网格内的流体情况。在自由液面网格内,运用PLIC(Piecewise line interface calculation)液面重构技术重构液面形状,再运用欧拉推进法更新变量F ,得到每一时间步长的自由液面动边界。 在利用数值方法研究结构物与流体相互作用时,经常会用到造波与消波技术。本文使用边界造波法结合波浪理论造波,并利用Sommerfeld线性辐射边界条件结合海绵阻尼层消波。 本文通过对不同算例的模拟,证明了该论文的求解器的整体框架简化了流体计算的复杂性,精确地模拟了带自由表面粘性流场与水下结构物动边界的流固耦合模型,非常适合解决研究流固耦合问题与自由表面问题。因此,本文的研究具有一定科研价值和工程意义。


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