基于浸没光滑点插值方法的三维流固耦合问题研究

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解决具有大变形或大位移的三维流固耦合问题一直是研究的热点与难点之一。浸没光滑点插值方法(IS-PIM)通过引入虚拟流体,将流体域与固体域完全分开;流体域与固体域分别采用欧拉网格、拉格朗日网格进行离散划分,并分别采用发展比较成熟的半隐式特征分离算法与光滑点插值方法进行数值计算求解,从而避免了网格重构的问题;采用灵活度较高且可以自动剖分的三角形或四面体单元,缩短了前处理的时间,进一步提高了IS-PIM的求解效率。当采用非结构化网格为背景单元时,传统有限元方法(FEM)会产生模型刚度过硬、求解精度较低等缺陷,而光滑点插值方法通过梯度光滑技术则可以软化固体模型刚度,提高求解精度。为了进一步比较不同固体求解器的计算性能,分别采用有限元法、边基光滑点插值方法以及点基局部光滑点插值方法作为固体求解器,详细比较了它们各自的计算性能,发现光滑点插值方法作为固体求解器可以明显的改善IS-PIM的求解精度,并提高求解效率。基于此,为进一步将IS-PIM应用于求解三维流固耦合问题,将构造形式相对简单的面基光滑点插值方法应用到三维IS-PIM中,并通过三个经典的流固耦合算例证实了IS-PIM解决三维流固耦合问题的适用性与准确性。由于IS-PIM的流体域与固体域是完全分开求解的,固体结构域最外层耦合信息不能精确的传递到流体域当中,从而影响了IS-PIM的求解准确性。为改善当前存在的问题,采用sharp-interface方法对三维流固耦合问题的边界进行修正,并通过圆柱绕流算例证实了边界修正后的IS-PIM可以明显地改善圆柱绕流之前存在的流线穿透现象,从而提高了IS-PIM求解三维流固耦合问题的精度。本文最后对低雷诺数情况的流动控制问题做了一定的参数化研究。研究发现,在圆柱体结构后放置一定长度的刚性分隔板可以明显降低圆柱绕流的阻力以及升力波动,并抑制圆柱绕流的尾涡脱落现象;并且分隔板相对于圆柱体直径的长度L*=1.5是本文该问题研究背景下的最佳分隔板长度。在圆柱体结构中心轴线一定距离处放置一L*=1.5的刚性分隔板时,通过参数化研究发现l*=2.5可使圆柱绕流的阻力系数与升力系数均降至最低,且圆柱体结构所受升力几乎不再波动,故l*=2.5是本文该问题研究背景下的最佳分隔板距离。最后,在圆柱体结构上下表面分别对称布置一对间隔为λ的减阻片时,研究发现,在本文的研究背景下,随着λ的逐渐变大,圆柱绕流的阻力系数以及升力系数波动的变化趋势大致相同,且λ=3.7为最佳减阻片间距。
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