流固耦合的研究與發(fā)展綜述
2017-05-08 by:CAE仿真在線(xiàn) 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
近來(lái),航空航天工業(yè)在世界上發(fā)展迅速,而作為“飛機(jī)心臟”的航空發(fā)動(dòng)機(jī)是限制其發(fā)展的主要因素。目前,航空發(fā)動(dòng)機(jī)日益向高負(fù)荷、高效率和高可靠性的趨勢(shì)發(fā)展,高負(fù)荷導(dǎo)致的高你壓力梯度容易引起流動(dòng)分離,同時(shí)隨著科技的發(fā)展,航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)使得材料越來(lái)越輕,越來(lái)越薄,這就使得發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的不穩(wěn)定流動(dòng)對(duì)葉片的影響大大增加,成為發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一。而以往單單考慮氣動(dòng)或結(jié)構(gòu)因素不能滿(mǎn)足實(shí)際的需求,必須將氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合,考慮其相互作用的影響,因此流固耦合的研究應(yīng)運(yùn)而生。
流固耦合是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉而生成的一門(mén)獨(dú)立的力學(xué)分支,它的研究對(duì)象是固體在流場(chǎng)作用下的各種行為以及固體變形或運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)影響。流固耦合力學(xué)的重要特征是兩相介質(zhì)之間的交互作用,固體在流體動(dòng)載荷作用下會(huì)產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng),而固體的變形或運(yùn)動(dòng)又反過(guò)來(lái)影響流場(chǎng),從而改變流體載荷的分布和大小,正是這種相互作用將在不同條件下產(chǎn)生形形色色的流固耦合現(xiàn)象。
總體上,從流固耦合的機(jī)理上可以分為兩大類(lèi):第一類(lèi),耦合作用僅僅發(fā)生在兩相交界面上,在方程上的耦合是由兩相耦合面上的平衡及協(xié)調(diào)來(lái)引入的如氣動(dòng)彈性、水動(dòng)彈性等;第二類(lèi),兩相部分或全部重疊在一起,難以明顯地分開(kāi),使描述物理現(xiàn)象的方程,特別是本構(gòu)方程需要針對(duì)具體的物理現(xiàn)象來(lái)建立,其耦合效應(yīng)通過(guò)描述問(wèn)題的微分方程來(lái)體現(xiàn)。
從20世紀(jì)80年代以來(lái), 流固耦合的研究便一直受到世界學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,近年來(lái)流固耦合研究發(fā)展的3個(gè)標(biāo)志為:①由線(xiàn)性流固耦合問(wèn)題發(fā)展到非線(xiàn)性流固耦合問(wèn)題;②由固體結(jié)構(gòu)的變形和強(qiáng)度問(wèn)題發(fā)展到固體的屈曲問(wèn)題;③計(jì)算格式從單純的固體有限元格式或流體的差分格式到混合或兼容的流固格式。現(xiàn)已能在固體和結(jié)構(gòu)中考慮材料非線(xiàn)性和幾何非線(xiàn)性;在流體中也開(kāi)始考慮有粘性和空化等效應(yīng)的流體模型,從而得以模擬出晃動(dòng)、空化、飛濺等流固耦合行為。在流體激發(fā)振動(dòng)中也已經(jīng)開(kāi)始考慮復(fù)雜的結(jié)構(gòu)陣列和流體流動(dòng)。使其更加接近真實(shí)情況,從而可以更好的應(yīng)用于實(shí)際情況中。
流固耦合的研究經(jīng)歷了持續(xù)的發(fā)展,按照發(fā)展的先后順序,可以分為單步耦合、多步耦合、直接耦合三個(gè)階段。
1) 單步耦合
單步耦合應(yīng)用頻域法假設(shè)結(jié)構(gòu)體以一個(gè)已知的頻率和幅值進(jìn)行運(yùn)動(dòng),然后求解非定常氣動(dòng)力做功來(lái)判斷穩(wěn)定性。單步耦合往往需要先求解結(jié)構(gòu)體的變形,然后通過(guò)將結(jié)構(gòu)體的變形作用于流場(chǎng),進(jìn)而計(jì)算系統(tǒng)的阻尼和穩(wěn)定性。單步耦合中對(duì)流場(chǎng)的求解經(jīng)歷了從線(xiàn)性到非線(xiàn)性的發(fā)展過(guò)程。Stuart Moffatt 和 Li He先利用ANSYS計(jì)算出葉片模態(tài)振型,然后將模態(tài)振型以一定幅值耦合到流體邊界,求解氣動(dòng)功和氣動(dòng)阻尼。北京航空航天大學(xué)張小偉等利用ANSYS計(jì)算了NASA67的彎曲振動(dòng)階模態(tài),然后在流場(chǎng)中給定葉片振幅計(jì)算了氣動(dòng)力和氣動(dòng)阻尼。張正秋、鄒正平等也利用單步耦合方法對(duì)葉輪機(jī)顫振預(yù)測(cè)和穩(wěn)定性分析作了討論。單步耦合研究葉片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,沒(méi)有考慮到結(jié)構(gòu)體和流體的相互作用,因此需要加以改進(jìn)。
2) 多步耦合
多步耦合方法與單步耦合方法相同之處在于都需要對(duì)結(jié)構(gòu)體和流體場(chǎng)進(jìn)行分別求解,不同之處在于單步耦合僅進(jìn)行了一次數(shù)據(jù)交互,而多步耦合需要在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行交互計(jì)算,即每一次計(jì)算完成之后都需要在流體和結(jié)構(gòu)體的交界面上進(jìn)行載荷和位移等參數(shù)的傳遞。多步耦合法的難點(diǎn)在于進(jìn)行時(shí)間離散之后,結(jié)構(gòu)體和流體場(chǎng)之間的數(shù)據(jù)交互總是存在滯后。Volker Carsterns介紹了多步耦合中使用的常規(guī)交錯(cuò)迭代法及其改進(jìn)方法;S.Piperno對(duì)帶預(yù)估的交錯(cuò)迭代方法進(jìn)行了介紹;M.Sadeghi開(kāi)發(fā)出葉柵顫振的多步耦合程序,研究了不同的數(shù)據(jù)傳遞方法在計(jì)算中的應(yīng)用。西北工業(yè)大學(xué)徐敏等針對(duì)柔性大展弦比機(jī)翼發(fā)展了一種CFD/CSD的多步耦合方法。南京航空航天大學(xué)郭同慶、陸志良等用二級(jí)精度的龍格-庫(kù)塔時(shí)間推進(jìn)對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行求解,用非定常歐拉方程雙時(shí)間有限體積推進(jìn)對(duì)氣動(dòng)力進(jìn)行求解,用多步耦合的方法計(jì)算了機(jī)翼的靜氣彈特性。
3) 直接耦合
直接耦合法又稱(chēng)為整體積分法,該方法對(duì)結(jié)構(gòu)體和流體場(chǎng)用統(tǒng)一的方程進(jìn)行描述,按照統(tǒng)一的數(shù)值方法進(jìn)行離散求解,從而在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)了同步,不存在滯后現(xiàn)象。Bendiksen用一種混合歐拉-拉格朗日方程對(duì)流固耦合系統(tǒng)進(jìn)行了求解,在耦合邊界面實(shí)現(xiàn)了歐拉格式向朗格朗日格式的轉(zhuǎn)換;Ge-Cheng Zha等利用直接耦合法對(duì)失諧葉盤(pán)進(jìn)行了高周疲勞預(yù)測(cè)分析。由于直接耦合法涉及到不同模型和求解方法的轉(zhuǎn)換,理論尚未完全成熟,開(kāi)展的應(yīng)用較少,國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。
比較三種耦合方法可知,單步耦合法計(jì)算量較小,能較快得到結(jié)果,但因?yàn)闆](méi)有考慮后續(xù)時(shí)間里流場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)體的反作用,不能反映兩種介質(zhì)之間的能量傳遞;直接耦合方法準(zhǔn)確直觀(guān),但是還需深入研究;多步耦合在目前的條件下比較容易開(kāi)展研究。
流固耦合的數(shù)值計(jì)算問(wèn)題,早期是從航空領(lǐng)域的氣動(dòng)彈性問(wèn)題開(kāi)始的,這也就是通過(guò)界面耦合的情況,只要滿(mǎn)足耦合界面力平衡,界面相容就可以。求解氣動(dòng)彈性問(wèn)題的耦合方法通??梢苑譃閮煞N:強(qiáng)耦合和弱耦合,強(qiáng)耦合方法需要對(duì)CFD和CSD方程同時(shí)進(jìn)行求解,弱耦合方法是模塊化的形式。其耦合通過(guò)CFD網(wǎng)格點(diǎn)上的載荷轉(zhuǎn)換到CSD節(jié)點(diǎn)上和CSD節(jié)點(diǎn)上的位移插值到CFD網(wǎng)格點(diǎn)上數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)。在這種弱耦合方法中,CSD和CFD網(wǎng)格位移可保持高精度。Guruswamy通過(guò)在動(dòng)網(wǎng)格上建立帶有歐拉/納維-斯托克斯方程模型的方法證明了弱耦合技術(shù)。Guruswamy和Byun提出了求解二維翼型的氣動(dòng)彈性的一種弱耦合方法。并證明了這種松耦合方法是有效和精確的。
在流固耦合問(wèn)題的計(jì)算中,各國(guó)學(xué)者提出了不少的方法,經(jīng)過(guò)歸納終結(jié),基本可以概括為以下兩個(gè)方面:一類(lèi)是結(jié)構(gòu)部分和流體部分都按有限元法進(jìn)行離散,建立流體與固體耦合的振動(dòng)方程式;另一類(lèi)是結(jié)構(gòu)部分仍按有限元法進(jìn)行離散,而流體部分用邊界元法離散,所謂邊界元法與有限元法在連續(xù)體域內(nèi)劃分單元的基本思想不同,邊界元法是指在定義域的邊界上劃分單元,用滿(mǎn)足控制議程的函數(shù)去逼近邊界條件。所以邊界元法與有限元相比具有單元的未知數(shù)少,數(shù)據(jù)準(zhǔn)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。然后建立流固耦合振動(dòng)方程式。應(yīng)用流體有限元和結(jié)構(gòu)有限元結(jié)合的方法可以計(jì)算流體對(duì)復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的影響,但這一方法一般要求電子計(jì)算機(jī)有較大的容量,并且計(jì)算機(jī)時(shí)較長(zhǎng),這給實(shí)際計(jì)算帶來(lái)困難。邊界元方法只對(duì)邊界積分方程離散求解,計(jì)算量相對(duì)較小,在工程中得到廣泛應(yīng)用。并且,當(dāng)流體為無(wú)限域情況時(shí),有限元法及差分法就顯得力不從心,解決這種無(wú)限域困難的方法之一是Bettes等提出的無(wú)限元法,Bettes,Orsero等都用有限元法和無(wú)限元法結(jié)合起來(lái)處理流固耦合問(wèn)題中的無(wú)限流場(chǎng),但由于解的穩(wěn)定性和衰減長(zhǎng)度的不確定性,限制了無(wú)限元法的進(jìn)一步應(yīng)用。相對(duì)而言,邊界元法能十分有效地處理流體水動(dòng)力計(jì)算,特別是在處理無(wú)限域流場(chǎng)時(shí),更是得天獨(dú)厚。大量學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究,沈惠明、趙德有結(jié)合流體邊界元和結(jié)構(gòu)有限元求解流固耦合問(wèn)題,采用迭代法求解流固耦合振動(dòng)的特征,為了使迭代迅速、波動(dòng)小,用結(jié)構(gòu)在空氣的振動(dòng)模態(tài)(干模態(tài))作為初始迭代向量,經(jīng)過(guò)若干次迭代收斂于濕模態(tài)。安澤幸隆等人將結(jié)構(gòu)部分用有限元離散,流體部分采用邊界元,同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)和流體相互作用的界面模型做出假設(shè),計(jì)算結(jié)果證明假設(shè)是合理的。
ANSYS是目前十分常用的典型的流固耦合分析軟件。分析機(jī)理為流體與固體部分分開(kāi)進(jìn)行,第一個(gè)分析作為第二個(gè)分析的荷載,如果分析是完全耦合的,那么第二個(gè)分析的結(jié)果又會(huì)影響或成為第一個(gè)分析的荷載,如此將流體與固體場(chǎng)耦合起來(lái)。復(fù)雜的幾何圖形建??梢酝ㄟ^(guò)UG、CATIA、PROE等專(zhuān)業(yè)軟件完成,他們與有限元分析軟件都有很好的接口,可以方便的傳送文件。流固耦合的軟件分析大致分為以下幾個(gè)步驟:
1.首先要做好固體.CDB文件和流場(chǎng).CAS文件,這個(gè)在HyperMesh里面可以分別導(dǎo)出。流體部分采用HyperMesh9.0分網(wǎng),按照流體分網(wǎng)步驟即可,沒(méi)有特殊要求。HyperMesh9.0劃分固體網(wǎng)格。設(shè)置邊界條件,載荷選項(xiàng),求解控制,導(dǎo)出.cdb文件
2.導(dǎo)入流體網(wǎng)格
3.設(shè)置分析類(lèi)型(ANALYSIS TYPE)-ANSYS MULTIFIELD,輸入固體網(wǎng)格文件,設(shè)置瞬態(tài)分析,時(shí)間設(shè)置
4.建流體材料,設(shè)置屬性
5.設(shè)置默認(rèn)域(default domain)流場(chǎng)的一些特性
6.添加邊界條件,與網(wǎng)格中的邊界相對(duì)應(yīng)
7.初始化
8.求解控制設(shè)置
9.輸出控制設(shè)置
10.監(jiān)視變量設(shè)置
11.求解
12.后處理
一般來(lái)說(shuō),CAE分析工程師80%的時(shí)間都花在了有限元模型的建立、修改和網(wǎng)格劃分上,而真正的分析求解時(shí)間是消耗在計(jì)算機(jī)工作站上,所以采用一個(gè)功能強(qiáng)大,使用方便靈活,并能夠與眾多CAD系統(tǒng)和有限元求解器進(jìn)行方便的數(shù)據(jù)交換的有限元前后處理工具,對(duì)于提高有限元分析工作的質(zhì)量和效率具有十分重要的意義。下面就提供了一些常見(jiàn)的前處理器軟件,下表中顯示的是一些常用的前處理器軟件及它們各自的工作環(huán)境、特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)等。
表:常用前處理器軟件
ICEM-CFD |
1.主要有四個(gè)模塊:Tetra(最高水平)、Hexa(方便使用)、Global(笛卡爾網(wǎng)格劃分軟件)、AutoHexa(應(yīng)用不多)。 2. 擁有強(qiáng)大的CAD模型修復(fù)能力、自動(dòng)中面抽取、獨(dú)特的網(wǎng)格“雕塑”技術(shù)、網(wǎng)格編輯技術(shù)以及廣泛的求解器支持能力。 3.接口多,幾乎支持所有流行的CFD軟件(包括CATIA, CADDS5, ICEM Surf/DDN, I-DEAS, SolidWorks, Solid Edge, Pro/ENGINEER and Unigraphics等)。 4.使用方便,一個(gè)月內(nèi)可以學(xué)會(huì),兩個(gè)月就可以針對(duì)課題努力了。同時(shí)這個(gè)軟件還有后處理模塊Visual3,但應(yīng)用相對(duì)較少。 |
Gridgen |
1. Gridgen是專(zhuān)業(yè)的網(wǎng)格生成器,結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分很好,可以生成多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格,可以引進(jìn)CAD的輸出文件作為網(wǎng)格生成的基礎(chǔ)。 2.生成的網(wǎng)格可以輸出十幾種常用商業(yè)流體軟件的數(shù)據(jù)格式,直接讓商業(yè)流體軟件使用。對(duì)用戶(hù)自編的CFD軟件,可選用公開(kāi)格式(Generic)。 3. Gridgen網(wǎng)格生成主要分為傳統(tǒng)法和各種新網(wǎng)格生成方法,形成了各種現(xiàn)代網(wǎng)格生成技術(shù)。傳統(tǒng)方法的思路是由線(xiàn)到面、由面到體的裝配式生成方法。各種新網(wǎng)格生成法,如推進(jìn)方式可以高速的由線(xiàn)推出面,由面推出體。另外還采用了轉(zhuǎn)動(dòng)、平移、縮放、復(fù)制、投影等多種技術(shù)。 |
Pointwise |
1.新的用戶(hù)界面:新的界面給用戶(hù)嶄新的視覺(jué)享受,同時(shí)也充分考慮了用戶(hù)的使用習(xí)慣,增添了許多的操作功能。 2.可靠性:無(wú)論是結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)、混合網(wǎng)格,Pointwise使用其高質(zhì)量的網(wǎng)格技術(shù)配合其強(qiáng)大的網(wǎng)格生成控制功能,使用戶(hù)在最小的計(jì)算機(jī)資源的情況下,可以得到最精確,最可靠的網(wǎng)格。 3.靈活性:首先是自動(dòng)化技術(shù),可以生成和人工干預(yù)及控制下生成的同樣高質(zhì)量的網(wǎng)格。其次是可以從不太完美的CAD數(shù)據(jù)生成符合你的求解器要求的高質(zhì)量網(wǎng)格的技術(shù)。 |
Gambit |
1.目前最常用的CFD前處理器,ACIS內(nèi)核基礎(chǔ)上的全面三維幾何建模能力,通過(guò)多種方式直接建立點(diǎn)、線(xiàn)、面、體,而且具有強(qiáng)大的布爾運(yùn)算能力,ACIS內(nèi)核已提高為ACIS R12。該功能大大領(lǐng)先于其它CAE軟件的前處理器。 2. 可以導(dǎo)入PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等大多數(shù)CAD/CAE軟件所建立的幾何和網(wǎng)格。導(dǎo)入過(guò)程新增自動(dòng)公差修補(bǔ)幾何功能,以保證GAMBIT與CAD軟件接口的穩(wěn)定性和保真性,使得幾何質(zhì)量高,并大大減輕工程師的工作量。 3. 強(qiáng)大的幾何修正功能,在導(dǎo)入幾何時(shí)會(huì)自動(dòng)合并重合的點(diǎn)、線(xiàn)、面;新增幾何修正工具條,在消除短邊、縫合缺口、修補(bǔ)尖角、去除小面、去除單獨(dú)輔助線(xiàn)和修補(bǔ)倒角時(shí)更加快速、自動(dòng)、靈活,而且準(zhǔn)確保證幾何體的精度。 4. 居于行業(yè)領(lǐng)先地位的尺寸函數(shù)(Size function)功能可使用戶(hù)能自主控制網(wǎng)格的生成過(guò)程以及在空間上的分布規(guī)律,使得網(wǎng)格的過(guò)渡與分布更加合理,最大限度地滿(mǎn)足CFD分析的需要。 5.可以說(shuō)GAMBIT是目前最有優(yōu)勢(shì)的CFD網(wǎng)格軟件,功能十分強(qiáng)大,但其使用要在Exceed環(huán)境下,占用內(nèi)存比較多,常常會(huì)跑死機(jī)(不是個(gè)別的問(wèn)題)。 |
CFX-build |
1. CFX是世界上唯一采用全隱式耦合算法的大型商業(yè)軟件。算法上的先進(jìn)性,豐富的物理模型和前后處理的完善性使ANSYS CFX在結(jié)果精確性,計(jì)算穩(wěn)定性,計(jì)算速度和靈活性上都有優(yōu)異的表現(xiàn)。 2. CFX-BUILD是一種以結(jié)構(gòu)分析軟件MSC/PATRAN為基礎(chǔ)的圖形處理系統(tǒng),會(huì)用Patran就會(huì)它。可以直接訪(fǎng)問(wèn)各種CAD軟件, 可以從任一CAD系統(tǒng)以IGES格式直接讀入CAD圖形。 3. 具有很強(qiáng)的操作功能,具有出色的幾何造形能力,具有高度自動(dòng)的曲面和體網(wǎng)格劃分能力, 以保證生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。 |
CFD-Geom |
1.傳統(tǒng)的生成有限元網(wǎng)格過(guò)程乏味而且復(fù)雜,GEOM很好的提供了解決這些問(wèn)題的辦法,并有效的促進(jìn)模型的生成和網(wǎng)格的建立。 2.GEOM具有大量的幾何結(jié)構(gòu),豐富的網(wǎng)格生成方法,支持多種幾何體、網(wǎng)格以及邊界條件的輸出等。 3.目前CFD-GEOM V2009增加了許多新功能,包括表面網(wǎng)格離散,表面三角網(wǎng)格推進(jìn)式生成等。這些新功能大大增加了建立網(wǎng)格的可靠性,減小了與實(shí)際物體的差異。 |
HyperMesh |
1. Hypermesh最著名的特點(diǎn)是它具有強(qiáng)大的、高性能的有限元網(wǎng)格劃分前處理功能和后處理功能。 2.在處理幾何模型和有限元網(wǎng)格的效率和質(zhì)量方面,HyperMesh具有很好的速度,適應(yīng)性和可定制性,并且模型規(guī)模沒(méi)有軟件限制,其強(qiáng)大的幾何處理能力可以很快的讀取那些結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,規(guī)模非常大的模型數(shù)據(jù),從而大大提高工作效率,也使得很多應(yīng)用其他前后處理軟件很難或者不能解決的問(wèn)題變得迎刃而解。 3. Hypermesh具有很高的有限元網(wǎng)格劃分和處理效率,可以大大提高CAE分析工程師的效率。 4. HyperMesh具有工業(yè)界主要的CAD數(shù)據(jù)格式接口??梢灾苯影岩呀?jīng)生成的三維實(shí)體模型導(dǎo)入到Hypermesh中,而且一般導(dǎo)入的模型的質(zhì)量都很高,基本上不需要對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)。 5.在建立和編輯模型方面,HyperMesh提供用戶(hù)一整套高度先進(jìn)、完善的、易于使用的工具包。對(duì)于2D和3D建模,用戶(hù)可以使用各種網(wǎng)格生成模板以及強(qiáng)大的自動(dòng)網(wǎng)格劃分模塊。 |
TrueGrid |
1.用戶(hù)可以完全控制網(wǎng)格設(shè)計(jì),所有的網(wǎng)格由塊結(jié)構(gòu)化六面體或四邊形網(wǎng)格構(gòu)成, 2.與當(dāng)前流行的模擬軟件完全兼容,除了簡(jiǎn)單的生成網(wǎng)格,還可以進(jìn)行預(yù)處理操作,生成控制參數(shù)、選項(xiàng)、載荷、接觸面,以及條件等,還可以指定單元類(lèi)型、剖面以及材料屬性等。 3. TrueGrid適用于流固耦合的分析,其塊結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和投影方法可用于創(chuàng)建用于流體或結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的網(wǎng)格,此外,這種技術(shù)可以很輕松完美的構(gòu)建結(jié)構(gòu)與流體界面,這種方法可以將一個(gè)網(wǎng)格嵌入到其他網(wǎng)格中。 4. TrueGrid可以交互式或通過(guò)腳本來(lái)操作,腳本語(yǔ)言可用于持續(xù)地重定義模型,可使用參數(shù)、代數(shù)公式、條件語(yǔ)句、循環(huán)語(yǔ)句、數(shù)組以及用戶(hù)自定義方程等。 |
在流固耦合分析中,流體部分網(wǎng)格劃分的好壞對(duì)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要,同時(shí)也是相對(duì)復(fù)雜的部分,因此選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分軟件十分必要,Gambit、HyperMesh都是目前應(yīng)用最為廣泛的軟件,它們?cè)趶?fù)雜結(jié)構(gòu)上具有強(qiáng)大的網(wǎng)格效率與準(zhǔn)確性。
此外,ADINA 也是當(dāng)今最為可靠的結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性、流固耦合計(jì)算系統(tǒng)。ADINA-2F中使用的程序是基于有限元和有限體積離散圖,帶有非常全面和高效的解決方法,可解決任意幾何學(xué)中的全部流動(dòng)問(wèn)題。一旦計(jì)算區(qū)域的任何一部分發(fā)生變形,對(duì)流體的Eulerian描述就不再可用了。因此,ADINA求解流體的控制方程使用Arbitrary-Lagrangian-Eulerian(ALE)表示。
1.質(zhì)量守恒方程
2.動(dòng)量守恒方程
控制固定域上的牛頓流體流動(dòng)問(wèn)題的增強(qiáng)形式由控制方程和對(duì)應(yīng)的初始邊界條件組成,控制流體問(wèn)題的方程是Navier-Stokes方程的ALE描述,其中
是物質(zhì)速度與網(wǎng)格速度u之差,稱(chēng)為相對(duì)速度。
3.能量守恒方程
直接耦合求解的辦法中,流體方程和結(jié)構(gòu)方程是組合起來(lái)在一個(gè)方程組(一個(gè)剛度陣)中處理的,線(xiàn)性化和求解使用Newton-Raphson迭代算法。迭代耦合方法比直接計(jì)算占用的內(nèi)存要小,因此可以用來(lái)求解大規(guī)模問(wèn)題。
本文總結(jié)了當(dāng)今國(guó)內(nèi)外流固耦合相關(guān)方面的研究現(xiàn)狀與成果、發(fā)展方向以及各種研究方法等,著重介紹了目前最常用的基于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的流固耦合問(wèn)題的求解方法。其中,對(duì)流體以及構(gòu)件的網(wǎng)格劃分部分進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明,在流固耦合的計(jì)算中,網(wǎng)格的好壞對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度極為重要,因此本文詳細(xì)介紹了現(xiàn)階段常用劃分網(wǎng)格軟件的使用情況、優(yōu)缺點(diǎn)等。但由于實(shí)際狀態(tài)下流固耦合的情況是十分復(fù)雜的,目前還沒(méi)有很好的劃分出能夠十分準(zhǔn)確的表示實(shí)際狀態(tài)的網(wǎng)格,尤其是在流體部分,值得進(jìn)一步研究。
此外,可以針對(duì)流固耦合數(shù)學(xué)模型以及其有限元數(shù)值模型等,在這些模型的基礎(chǔ)上,應(yīng)用目前的編程軟件,如C++、Matlab等,開(kāi)發(fā)基于流固耦合下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片顫振的數(shù)值模擬軟件等,加入非線(xiàn)性的影響,使之盡量貼近實(shí)際情況,并最終應(yīng)用于工程的具體問(wèn)題中??傊?目前國(guó)內(nèi)流固耦合的技術(shù)還處于初級(jí)階段,還需要不斷地完善與發(fā)展。
綜合自網(wǎng)絡(luò)
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