考虑流固耦合作用的充气膜结构风压分布研究

充气膜结构是典型的风敏感型柔性结构,风荷载经常起关键的控制作用。本文利用ANSYS14.5程序中的workbench平台,考虑流固耦合作用,研究矩形平面气承式充气膜结构的风压系数分布。其中,选用基于雷诺时均模拟法的RNGk-ε湍流模型进行风场模拟,采用弱耦合分析方法模拟流固耦合风荷载效应。分析的参数选择风向角、结构内压、矢跨比和平面长宽比。针对矢跨比分别为1/4,1/3和1/2,长宽比分别为5/3,2/1和3/1的柔性充气膜结构模型,计算不同内压及不同风向角作用下的结构响应。结果表明,考虑流固耦合作用时,充气膜结构的风压体型系数比不考虑流固耦合作用的刚性模型明显偏大,其影响因子在1.25~1.5之间;充气膜结构的风压系数分布受风向角、内压、长宽比及矢跨比的影响较大。     

流固耦合作用下真实人体上呼吸道呼吸流涡结构演化的数值仿真

通过构建真实人体上呼吸道三维规范模型,运用大涡模拟数值方法,对考虑流固耦合作用的低强度循环呼吸模式下人体上呼吸道内的呼吸流进行了数值仿真,研究分析了人体口喉模型及气管支气管内的气流涡结构及其演化过程。结果表明,循环吸气过程中,气流在口腔中部以及舌苔上部形成多个涡管,在声门部位形成强烈的射流,在气管前壁出现马蹄涡,到气管中部大尺度涡结构逐步消失,支气管中只剩下一系列小尺度涡结构;循环呼气过程中,气流在气管底部产生较为复杂的涡结构,随着气流在气管内的融合,涡强度逐步减弱,在咽喉后壁形成拱状涡,气流进入口腔后,涡结构破裂,涡量扩散,没有较大的涡结构产生。     

混凝土输送泵车臂架系统流固耦合振动分析

针对混凝土泵车的工作原理和结构特点,结合现有输送管流固耦合理论的研究成果,提出了基础有平动位移的悬臂输送管理论模型,并通过多体运动学理论和Hamilton变分原理,建立该模型的运动微分方程.采用有限单元理论建立混凝土泵车臂架系统的流固耦合运动微分方程.选取混凝土流速U=2.265m/s和不考虑混凝土流动进行对比仿真分析后发现:两者臂架振动响应均值相同;但稳态时两者振动幅值比值最大,接近2;而改变Rayleigh阻尼系数则对臂架振动响应影响不大,这说明混凝土的流动增加臂架振动阻尼效应显著.结合Matlab仿真分析与Ansys三维有限元模型,模拟计算出了臂架结构动应力,对比测点应力测试结果与模拟计算结果,两者应力历程变化趋势相似,应力值较接近,最大差异小于20MPa,验证了仿真模型的合理性.     

鼻腔手术对OSAHS患者治疗效果的数值分析

对3名伴有鼻阻塞的OSAHS患者术前术后的上气道结构包含软腭组织进行三维重构,采用数值模拟的方法研究这3名患者手术前后,上气道气流分布以及软腭的运动情况,分析鼻腔手术对OSAHS患者的治疗效果.3名患者手术后鼻腔通气程度均得已改善.两名轻度OSAHS患者手术后上气道阻力减小,软腭位移均比术前减小,这些变化均有助于缓减呼吸时气流受限情况.而第3名重度患者手术后上气道阻力和软腭位移反而增加,这将会进一步加重气道的阻塞程度.鼻部手术对OSAHS患者的治疗效果取决于上游鼻腔通气程度的改善能否对下游咽腔产生有益的影响.数值模拟结果与PSG监测结果及其主诉情况相符,与现阶段临床有关的研究结论相一致,能够间接反映术后气道通气程度以及打鼾症状是否改善,为进一步解决临床的疑难问题提供了理论依据.     

树木在风中摇曳的流固耦合数值模拟方法探索

树木在风中摇曳是一个流固耦合问题,但树的结构复杂,无法直接用已有的流固耦合数值方法来模拟.本文提出一种基于虚拟耦合面的流固耦合方法,该方法用一个虚拟的连续曲面把树冠包裹起来,在这个曲面上建立流固耦合关系,并将虚拟曲面上计算得到的风荷载作为树木结构的外力进行加载.虚拟耦合面本身不妨碍树木枝条的运动,且能避免在每个枝条、树...     

薄膜结构流固耦合的CFD数值模拟研究

基于弱耦合分区求解策略,在CompaqVisualFortran6．5环境下搭建了薄膜结构三维流固耦合效应的CFD数值模拟平台。程序采用模块化编程思想,主要包含几何建模、流体分析、结构分析和数据交换四个模块。其中几何建模模块采用自行编制的膜结构找形分析程序,流体分析模块采用经过二次开发的计算流体力学软件FLUENT6．0,结构分析模块采用自行编制的膜结构动力分析程序MDLFX;在数据交换模块中,编制了基于薄板样条法的插值计算程序,以实现流固交界面上不同区域网格间的数据传递问题,编制了基于代数法和迭代法的动网格变形程序,以实现流固耦合运算中的动网格更新。基于该软件平台,对单向柔性屋盖和鞍形膜结构屋盖进行了流固耦合数值模拟,验证了方法的有效性。     

自由液面大晃动的流固耦合数值分析方法研究进展

本文较为全面地评述了国内外对具有自由液面大晃动的流固耦合问题的研究。在第2节,以两种典型的工程问题（石油化工储液罐抗震性和提高机理问题和液态金属快中子增殖堆主容器流固耦合问题）为背景全面评述了这类流固耦合问题的有关研究进展;文章的第3节较为深入讨论了这类流固耦合问题中所采用的分析方法（包括解析方法、半解析方法和数值方法以及问题描述的ALE格式等）和分析模型（包括位移－位移模型和多种的位移－势模型等）;第4节首先从问题求解方面,说明了具有自由液面大晃动的流固耦合问题的性质和特点,然后讨论了交替求解方法及其对求解此类问题的特别适应性;最后,本文给出了这方面今后应进一步研究的问题。     

基于双向流固耦合的超空泡射弹入水研究

超空泡射弹通过超空泡减阻技术在水下高速长距离航行, 是对抗水下近距离威胁的有效手段. 为了扩大防御范围、增加杀伤力, 超空泡射弹具有很高的发射速度. 高速超空泡射弹在入水时中受到极大的冲击载荷, 发生显著的结构变形, 结构变形与流场之间存在相互影响和作用, 常规的基于刚体假设的仿真研究方法不再适用. 为了研究高速超空泡射弹入水过程中的结构变形及其对流体动力特性的影响, 通过耦合流体力学求解器和结构动力学求解器, 建立了射弹高速入水双向流固耦合仿真模型, 并通过与文献中的试验结果进行对比验证了该模型空泡形态计算方法和耦合方法的准确性. 使用双向流固耦合的方法对高速射弹在不同初始攻角入水过程中的超空泡流动特性及结构变形特性进行了数值模拟研究, 通过对比流固耦合模型与刚体模型的计算结果, 得到了超空泡射弹的结构弯曲变形对流体动力载荷的影响. 研究结果表明: 高速射弹入水过程中流固耦合效应对超空泡流型及流体动力载荷的计算结果有显著影响; 本文所研究的射弹在考虑流固耦合效应, 带攻角垂直入水两倍弹长的范围内, 超空泡射弹的流体动力载荷与弯曲变形之间形成正反馈; 高速超空泡射弹在入水过程中受到的流体动力载荷及弹体应力应变随入水初始攻角的增加显著增大, 研究对象在初速1400m/s的条件下入水时, 当初始攻角不超过2°时不存在结构安全性问题.      

基于ALE有限元法的流固耦合强耦合数值模拟

针对不同流固耦合问题,提出一种基于任意拉格朗日--欧拉(ALE)有限元技术的分区强耦合算法. 运用半隐式特征线分裂算法求解ALE描述下的不可压缩黏性流体Navier-Stokes方程. 分别考虑一般平面运动刚体和几何非线性固体,采用复合隐式时间积分法推进结构运动方程,故可选用较大时间步长;进一步应用单元型光滑有限元法求解几何非线性固体大变形,获得更精确结构解且不影响计算效率. 运用子块移动技术结合正 交--半扭转弹簧近似法高效更新流体动网格;同时将一质量源项引入压力泊松方程满足几何守恒律,无需复杂构造网格速度差分格式. 采用简单高效的固定点法配合Aitken动态松弛技术实现各场耦合,可灵活选择先进单场求解技术,具备较好程序模块性. 运用本文算法分别模拟了H型桥梁截面颤振问题和均匀管道流内节气阀涡激振动问题. 研究表明,数值结果与已有文献数据吻合,计算精度和求解效率均令人满意.      

爆室内强爆炸中的流固耦合计算

为评估强爆炸的毁伤效应,在已有的辐射流体力学及结构动力学响应部分工作的基础上,本文采用流固耦合方法对耦合界面进行了处理,并考虑辐射输运引起的能量沉积过程,使得强爆炸产生的辐射波、冲击波和结构动力学响应两部分可以较好地耦合计算,从而能够较完整地模拟爆室内强爆炸的辐射流体动力学过程.计算结果与定性物理分析相符,证明了算法的...     

考虑流固耦合的近海风电支撑体系自振特性分析

近海风电支撑结构的自振特性是此类结构抗震设计的基础.以某海上风电场1.5MW风电基础支撑体系为背景,考虑流固耦合效应,采用有限元方法对近海风电支撑体系的自振频率和振型进行了计算分析.文中首先将单桩无水工况的数值结果与解析结果做了比较,验证了本文有限元模型的准确性.在此基础上,分单桩有水、单桩无水、四桩有水和四桩无水四种工况进行了支撑体系的自振特性分析,给出了前十阶自振频率和振型,探讨了势流体水层对近海风电支撑体系自振特性的影响.结果表明:水层的存在对单桩体系的前两阶自振频率以及四桩体系的前四阶自振频率影响甚小;总体而言,水层对单桩体系三阶以后的自振频率的影响要明显大于对四桩体系五阶以后的自振频率的影响;本文选取的近海风电支撑体系的各阶频率均能有效避开马达转动频率和叶轮扫略频率.     

管道及管路系统流固耦合振动问题的研究动态

对管道及管路系统流固耦合振动问题在近二十年来的进展作了综述。根据问题特点，将本课题分为三个分支，即从紊流到振动噪声源的研究，流－弹耦合振动的研究和声－弹耦合振动的研究。在分别总结这三个分支的研究成果的同时指出了尚需进一步研究的某些问题。     

基于流固耦合作用的抽水引起地面沉降计算模型

过量开采地下承压水会引起地基土体的变形,进一步导致地面沉降和地裂缝等地质灾害,抽水引起地层的变形过程是土层中孔隙水和土颗粒相互作用的复杂过程．两步法和流固耦合法是计算地面沉降常用的两种思路,它们的适用性各有不同．本文基于理想的地层模型,分别建立两步法计算模型和流固耦合计算模型,利用FLAC3D6.0有限差分软件对模型进行求解,对比分析两类方法计算结果的差异．结果表明流固耦合法符合力学机制,能够更好地反映土体变形的发展过程,但计算时间更长．而两步法适用于稳定流,在渗流达到稳定流时两步法计算的孔压分布和地面沉降能够满足工程精度要求．本文的研究成果为合理选取地面沉降计算方法提供依据．     

流固耦合分析的载荷映射开放式软件架构设计

基于开放式工程与科学计算软件平台SiPESC设计实现了流固耦合分析流场载荷映射软件架构。软件的核心问题是解决计算流体力学(CFD)网格模型与计算结构力学(CSD)网格模型交互界面网格不匹配情况下的流-固载荷映射问题。软件采用插值方法将流场分析得到的物面载荷转换为结构分析的载荷边界条件。软件基于SiPESC平台的微核心+插件的开放式可扩展软件框架进行设计,依托SiPESC.ENGDBS工程数据库管理系统实现大规模数据管理。设计实现的软件框架提供了算法的灵活扩展接口与管理机制,可动态扩展新的插值算法,满足流固耦合分析需要的数据管理与数据转换需求。在该软件框架下,已实现了多种插值算法,并完成验证算例与工程算例的载荷数据转换。算例表明软件功能具备良好的工程适用性,为进一步开发与应用奠定基础。     

夹层动脉瘤及覆膜支架模型的流固耦合分析

腹主动脉瘤腹主动脉瘤(Abdominal Aortic Aneurysm,AAA)是危及病人生命的严重疾病,若主动脉瘤不加以治疗,瘤腔将不断长大而有破裂的危险,尽管目前对主动脉瘤的研究较多,但对主动脉夹层动脉瘤(Aortic Dissecting Aneruysm,ADA)的研究较少,本文在周期性脉动速度和压力条件下,对DNA内部流场及植入覆膜支架进行了流固耦合的数值模拟.得到了夹层动脉瘤内部流场的速度矢量分布,瘤壁上的位移、应力分布.同时对夹层动脉瘤植入覆膜支架前后进行了对比分析,覆膜支架的植入使得瘤壁上的最大应力和最大位移均从瘤腔壁面转移到管状动脉壁上,且数值大大下降,说明植入覆膜支架能很好的防止夹层动脉瘤破裂.     

动脉粥样硬化晚期斑块局部应力的流固耦合分析及体外反搏作用干预机制的研究

生物机械力被普遍认为在动脉粥样硬化晚期斑块进程及最终破裂中起着重要的作用. 本文的目的是研究血流灌注、动脉内压、斑块组织和材料特性等因素对斑块局部流动切应力 及斑块结构应力 水平的影响,同时评价临床中的非介入辅助循环疗法 —— 体外反搏 对斑块局部应力水平的干预作用. 采用结合猪动物模型在体测量及三维流固耦合数值仿真的研究方法. 结果显示,当斑块狭窄率一定时 (50%),斑块的流动切应力水平主要由血流灌注决定;而斑块结构应力主要取决于动脉内压及纤维帽 厚度. 只有在纤维帽足够薄的情况下,斑块的材料特性才对斑块结构应力有显著影响;当纤维帽最薄同时脂质池材料最软时,临界斑块壁面应力 因子达到极值的 257.72 kPa (正常生理状态) 及 300.20 kPa (体外反博状态). 由于最大壁面应力、临界斑块壁面应力 及全局最大斑块壁面应力 三个应力因子中,只有临界斑块壁面应力 明显受纤维帽厚度和脂质池材料特性的影响,因此 其可能与斑块进程的关联最为紧密. 此外,体外反博作用明显提高了晚期斑块的应力水平,这是否会给斑块进程及重构带来慢性的影响,需要作更深入的研究.      

航行体水下发射流固耦合效应分析

对于水下发射过程来说,掌握水动力载荷形成机理与结构响应特征是一个亟待解决的问题.研究该问题需要考虑含相变的复杂多相流动,变约束的结构运动以及这二者之间的耦合效应.本文采用松耦合的方法,以流体求解器为主体,将自编的固体结构程序接入流体求解器中,在每个时间步长内分别对流体动力学方程和固体结构动力学方程进行求解,通过流固界面之间的数据交换实现耦合计算.其中,流体求解器基于雷诺平均纳维斯托克斯方程,采用单流体模型处理多相流问题,引入空化模型描述空化相变,采用修正的湍流模型模拟混合物的湍流效应,并采用动网格技术处理移动边界问题.航行体的刚体运动和结构振动分开求解.结构求解器采用等效梁模型描述结构的振动,通过坐标变换给出了随体坐标系下的结构振动方程,求解方法采用时域积分法.所建立的流固耦合方法不仅能够捕捉到自然空化的演化情况,还可获得航行体所受水动力、结构振动响应以及截面的弯矩,获得了实验的验证.基于该方法研究了结构刚度、发射速度对空泡溃灭与结构振动耦合效应的影响规律.结果表明,同步溃灭是影响结构载荷的主要因素,包括溃灭压力幅值,溃灭压力作用位置,以及溃灭压力与结构振动的相位关系.     

数值流形方法在流固耦合谐振分析中的应用

数值流形方法(流形法)是石根华博士利用现代数学中流形分析的有限覆盖技术建立起来的新的数值分析方法,统一解决了连续和非连续变形的力学问题,具有广阔的应用前景。本文将流形法应用于交界面耦合的流固振动分析,采用平面矩形数学网格,针对无粘、无旋、不可压缩流体和无阻尼的固体结构,提出分析流固耦合系统简谐振动的高阶流形法公式,其中,采用拉格朗日乘子法引入流场的已知边界条件。本文还初步研究了在特殊的无限远流场中采用解析解覆盖函数的实现技术。文中算例体现了流形法网格划分的方便性和计算的高精度,显示出流形法在数值解和解析解联合运用上的优势。     

异径管冲蚀失效的流固耦合数值模拟

针对异径管的冲蚀失效问题,以管壁腐蚀产物保护膜为研究对象,主要研究流固耦合对管道冲蚀破坏的作用机理. 建立流固耦合数理模型,推导出在任意拉格朗日-欧拉(ArbitraryLagrange-Euler, ALE)描述下的黏性流体N-S方程和腐蚀产物保护膜固体区域的控制方程,分析管壁边界层多相流介质流动与腐蚀产物保护膜破损之间的耦合作用. 以异径管冲蚀失效为例,运用多物理场耦合软件,分析了异径管流体流向、结构和规格对保护膜变形的影响,模拟结果表明:流向为``大进小出'的冲蚀较严重;偏心异径管比同心异径管冲蚀严重;两端管径差越大,冲蚀越严重. 可为异径管的失效分析、优化设计和在役检验提供参考.      

基于流固耦合的锚索涡激振动抑制方法研究

悬浮隧道锚索的涡激振动会加剧锚索的疲劳破坏,进而影响悬浮隧道的使用寿命和安全.文章在海洋立管涡激振动抑制研究的基础上,考虑悬浮隧道锚索倾斜角度和来流方向的影响,采用流固耦合的数值方法,对整流罩方法和三控制杆方法的抑制效果进行了分析.结果表明,在顺来流方向,两种方法均具有良好的抑振效果;锚索有倾斜的情况下,三控制杆方法的效果会有所提升;但在来流方向改变时,整流罩方法具有较强的适应性.