[發(fā)明專利]一種基于固定網(wǎng)格技術(shù)的流固耦合計算方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201510217427.1 | 申請日： | 2015-04-30 |
| 公開（公告）號： | CN104850689B | 公開（公告）日： | 2019-01-04 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 王文全;閆妍 | 申請（專利權(quán)）人： | 昆明理工大學(xué) |
| 主分類號： | G06F17/50 | 分類號： | G06F17/50 |
| 代理公司： | 暫無信息 | 代理人： | 暫無信息 |
| 地址： | 650093 云*** | 國省代碼： | 云南;53 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 基于 固定 網(wǎng)格 技術(shù) 耦合 計算方法 | ||
1.一種基于固定網(wǎng)格技術(shù)的流固耦合計算方法，其特征在于：所述方法的具體步驟如下：
Step1、調(diào)用網(wǎng)格劃分模塊，采用兩套網(wǎng)格：流場區(qū)域，固體區(qū)域；其中流場區(qū)域在歐拉描述下采用笛卡爾網(wǎng)格離散，固體區(qū)域在拉格朗日描述下使用適體有限元網(wǎng)格離散；
Step2、調(diào)用流場CFD計算模塊，采用基于分步投影的浸入邊界方法，求解不可壓縮粘性牛頓流體的流動控制方程，更新流場狀態(tài)變量，同時獲得流體作用于固體邊界節(jié)點上的力；
Step3、調(diào)用固體CSD計算模塊，采用有限單元方法，求解固體動力學(xué)控制方程，更新固體狀態(tài)變量，同時獲取固體邊界節(jié)點上的位移和速度；
Step4、將固體狀態(tài)變量和流場信息輸出到文件，供后處理使用；
Step5、判斷是否結(jié)束計算：
如果△t·n＜T，則進入下一時間步，繼續(xù)執(zhí)行步驟Step2、Step3和Step4；
如果△t·n≥T，則結(jié)束整個計算；
其中△t為時間步長，T為要求計算的總物理時間，n為時間步數(shù)；
所述流場區(qū)域包括流體和固體所占據(jù)的空間區(qū)域，固體區(qū)域包括剛體區(qū)域和彈性體區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于固定網(wǎng)格技術(shù)的流固耦合計算方法，其特征在于：步驟Step1中，流場區(qū)域在歐拉描述下采用笛卡爾網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格單元中心或節(jié)點上的流場變量稱為歐拉變量，并將網(wǎng)格節(jié)點坐標信息xj輸出到文件fcor.txt；固體區(qū)域在拉格朗日描述下使用適體有限元網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格節(jié)點上的變量稱為拉格朗日變量，相應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點坐標信息X輸出到文件scor.txt，其中固體邊界節(jié)點坐標信息用表示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于固定網(wǎng)格技術(shù)的流固耦合計算方法，其特征在于：步驟Step2中，通過基于分步投影浸入邊界方法的CFD計算，實現(xiàn)兩大功能：
一是獲得流體作用于固體邊界節(jié)點上的力：
通過流場區(qū)域預(yù)測速度u′(xj,t)和近似光滑函數(shù)得到的固體邊界拉格朗日節(jié)點上的速度等于給定的固體邊界節(jié)點的自然速度來實現(xiàn)固體邊界節(jié)點上力密度的求解，并將結(jié)果輸出到文件sfor.txt，供步驟Step3中CSD計算模塊使用；其中，為固體邊界節(jié)點坐標的解釋，t為時間；
二是更新流場狀態(tài)變量：
流場區(qū)域速度校正值Δu(xj,t)為：
式中，Δsi為第i段固體邊界的面積，h為流體網(wǎng)格間距，M為固體邊界節(jié)點數(shù)，N為流體歐拉網(wǎng)格節(jié)點數(shù)，Cji為信息轉(zhuǎn)換矩陣，定義如下：
式中，分別為固體邊界節(jié)點坐標在x，y，z方向的分量，xj,yj,zj分別為歐拉網(wǎng)格節(jié)點坐標在x，y，z方向的分量；函數(shù)φ表示為：
式中，r為函數(shù)φ的自變量；
流場區(qū)域速度由下式更新，
u(xj,t)＝u′(xj,t)+Δu(xj,t) (4)
并將結(jié)果輸出到文件fvel.txt，供步驟Step4中的后處理使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于固定網(wǎng)格技術(shù)的流固耦合計算方法，其特征在于：步驟Step3中，通過有限單元方法，求解離散后的固體動力學(xué)控制方程，實現(xiàn)兩大功能，更新固體狀態(tài)變量，同時獲取固體邊界節(jié)點上的位移和速度；
一是獲取固體邊界節(jié)點上的位移和速度：
采用有限單元數(shù)值離散方法，獲得固體的一組離散非線性方程組，寫成矩陣形式有：
式中，MS為質(zhì)量矩陣，CS阻尼矩陣，KS為剛度矩陣，為外力矢量，包括流體作用于固體邊界的力密度和其他外力矢量，和分別代表固體t時刻的加速度矢量，速度矢量和位移矢量；
式(5)求解在時間推進上采用紐馬克法，獲得t+Δt時刻有限元節(jié)點新的位移矢量速度矢量和加速度矢量提取t+Δt時刻邊界節(jié)點上的位移矢量速度矢量令并將結(jié)果輸出到文件sdisvel.txt文件，供步驟Step2中CFD計算模塊使用；
二是更新固體狀態(tài)變量：
通過對式(5)的求解，獲得下一時刻有限元節(jié)點新的位移矢量通過固體本構(gòu)方程，進一步獲得固體各節(jié)點的應(yīng)力應(yīng)變或固體其他狀態(tài)變量的值，并將結(jié)果輸出到文件sstress.txt，供步驟Step4中的后處理使用。
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