流固耦合作用的弱耦合算法及风与薄膜结构的耦合分析

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 流固耦合问题
• 1.2 风荷载与结构流固耦合作用研究方法和现状
• 1.3 弱耦合算法的关键技术
• 1.3.1 计算结构动力学
• 1.3.2 计算流体动力学
• 1.3.3 流固耦合界面
• 1.4 本文研究内容安排
• 第二章 风场运动基本控制方程
• 2.1 近地面风的特性
• 2.2 质量守恒方程
• 2.3 动量守恒方程
• 2.4 控制方程通用形式
• 第三章 数值风洞技术
• 3.1 CFD的求解过程
• 3.2 网格生成技术
• 3.3 基于有限体积法的控制方程离散
• 3.3.1 有限体积法
• 3.3.2 离散格式
• 3.4 流场的数值计算方法
• 3.5 湍流数值模拟方法
• 3.5.1 湍流概述
• 3.5.2 湍流基本方程
• 3.5.3 湍流数值模拟方法
• 3.5.4 标准k-ε方程
• 3.5.5 在近壁区使用模型的问题及对策
• 3.6 小结
• 第四章 耦合问题搜索算法和匹配标准
• 4.1 流固耦合方程分析
• 4.1.1 基本方程
• 4.1.2 强耦合
• 4.1.3 弱耦合
• 4.2 邻近搜索
• 4.2.1 几何构件之间的关系
• 4.2.2 搜索算法
• 4.3 预接触搜索算法和匹配标准
• 4.3.1 预接触搜索算法
• 4.3.2 匹配标准
• 4.3.3 应用
• 4.4 插值方法
• 4.4.1 标准插值
• 4.4.2 基于相交方法的映射
• 4.4.3 最接近原则插值
• 4.5 小结
• 第五章 耦合界面的数据传递
• 5.1 荷载映射
• 5.2 表面追踪
• 5.2.1 初始距离向量追踪
• 5.2.2 守恒追踪算法
• 5.3 同步化
• 5.3.1 线性外插
• 5.3.2 Hermire插值
• 5.4 小结
• 第六章 弱耦合算法在风与薄膜结构耦合计算的应用
• 6.1 结构域
• 6.1.1 CSD软件—ANSYS
• 6.1.2 结构域设置与计算
• 6.2 流体域
• 6.2.1 CFD软件—STAR-CD
• 6.2.2 流体域设置与计算
• 6.3 耦合域
• 6.3.1 耦合分析平台MpCCI
• 6.3.2 耦合域设置与计算
• 6.3.3 CSD在MpCCI中的运行设置
• 6.3.4 CFD在MpCCI中的运行设置
• 6.4 风与薄膜结构耦合计算
• 6.5 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介