船舶流固耦合及非線性波浪載荷響應(yīng)研究

一船舶流固耦合動(dòng)力計(jì)算：以半無(wú)矩殼理論和簡(jiǎn)單格林函數(shù)構(gòu)造的三維流體邊界元法為基礎(chǔ)，利用干模態(tài)建立一種新的船舶水彈性模型用于船體振型頻率計(jì)算。通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了理論方法的正確性，比應(yīng)用三維殼體有限元散船體的水彈性方法有明顯的優(yōu)越性。提供了一種高效實(shí)用的船舶水彈性分析方法。同時(shí)也給出船體薄壁梁流固耦合計(jì)算方法以適應(yīng)國(guó)內(nèi)外廣泛采用的有限梁分析方法。二計(jì)及船型非線性的波浪載荷計(jì)算，并將規(guī)則波時(shí)域分析擴(kuò)展到不規(guī)則波中，考慮了砰擊彎矩的合成計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)有良好的一致性。對(duì)集裝箱船采用船體薄壁梁模型計(jì)算非線性波浪的垂直時(shí)域響應(yīng)和斜浪中扭轉(zhuǎn)與水平耦合響應(yīng)，提供一種實(shí)用方法和計(jì)算程序。 2100433B

流固耦合傳熱緊耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等開發(fā)了將流體及固體內(nèi)所有物理過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)緊耦合算法，能使計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。但是，該瞬態(tài)緊耦合計(jì)算需要消耗大量的計(jì)算資源，難以用于解決實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題。

根據(jù)問(wèn)題的特征，有些研究者近似認(rèn)為在計(jì)算時(shí)間內(nèi)，某些參數(shù)的狀態(tài)是不變的，進(jìn)而直接將瞬態(tài)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。對(duì)于絕大多說(shuō)不能通過(guò)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)處理直接轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問(wèn)題的瞬態(tài)問(wèn)題，有些研究者主張保留耦合的非穩(wěn)態(tài)特性，提出各部分分別進(jìn)行瞬態(tài)求解,并通過(guò)邊界條件、參數(shù)值及活動(dòng)網(wǎng)格等方式進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互的瞬態(tài)松耦合傳熱問(wèn)題的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等針對(duì)高超聲速流中固體表面帶輻射及燒蝕相變過(guò)程的流固耦合強(qiáng)制對(duì)流傳熱問(wèn)題，提出將流體 Navier-Stokes 方程與固體導(dǎo)熱、輻射及燒蝕相變過(guò)程分別進(jìn)行瞬態(tài)求解，并利用流體數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，直至迭代收斂。Lohner 等針對(duì)飛機(jī)氣彈分析中帶固體形變的流固耦合傳熱問(wèn)題，將流體 Navier-Stokes 方程及固體導(dǎo)熱和應(yīng)變方程分別求解，并利用流體數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，同時(shí)利用固體應(yīng)變方程的計(jì)算結(jié)果修正流體耦合邊界位置和速度邊界條件，直至迭代收斂。

流固耦合傳熱松耦合

有些研究者提出了基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的松耦合算法，即近似認(rèn)為在整個(gè)流固耦合傳熱過(guò)程中，流場(chǎng)處于若干個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，每一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的流場(chǎng)都使用穩(wěn)態(tài) Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos結(jié)合二維邊界單元法和高超聲速計(jì)算流體力學(xué)( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超聲速流與機(jī)翼前緣的耦合傳熱問(wèn)題。Chen 和Zhang等交替進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算與固體燒蝕和瞬態(tài)導(dǎo)熱的松耦合算法計(jì)算了帶燒蝕的流固耦合傳熱問(wèn)題。2100433B

本項(xiàng)目以刷式密封與轉(zhuǎn)子交互作用下接觸點(diǎn)傳熱及流固耦合傳熱動(dòng)力學(xué)規(guī)律為研究目標(biāo)，綜合多種因素的（刷絲之間、刷絲與后擋板摩擦以及刷絲彎曲效應(yīng)）影響，應(yīng)用數(shù)值模擬手段，建立非線性接觸力數(shù)學(xué)模型以及接觸力作用下流固耦合傳熱模型。利用課題組在密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)流固耦合實(shí)驗(yàn)方面積累的豐富經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)密封技術(shù)研究的基礎(chǔ)，建立了刷式密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成流固熱耦合數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證。本項(xiàng)目旨在提出接觸密封理論模型和接觸力選擇準(zhǔn)則，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值手段研究刷式密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)流固耦合傳熱規(guī)律，建立及完善流固熱耦合數(shù)學(xué)模型，能數(shù)值分析不同刷式密封與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)內(nèi)刷式密封與轉(zhuǎn)子接觸力及摩擦生熱等參數(shù)，為研究工質(zhì)泄漏、轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性以及部件疲勞壽命提供重要的手段。

流固耦合傳熱計(jì)算 的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)流體與固體邊界上的熱量傳遞。由能量守恒可知 ，在流固耦合的交界面 ，固體傳出的熱量應(yīng)等于流體吸收的熱量，因此 ，流固邊界面上的熱量傳遞過(guò)程可表示為

在求解流固耦合的瞬態(tài)溫度場(chǎng)時(shí)，流體區(qū)域可按準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)處理，即不考慮流場(chǎng)的動(dòng)量和湍方程，則其控制方程式

固體區(qū)域控制方程以其基本導(dǎo)熱方程表示為

流固交界面上不考慮發(fā)生的輻射、燒蝕相變等過(guò)程，則流固交界面上滿足能量連續(xù)性條件，即溫度和熱流密度相等。具體控制方程式為

上述構(gòu)成了流固耦合瞬態(tài)溫度場(chǎng)控制方程，可以使用分區(qū)瞬態(tài)緊耦合算法進(jìn)行求解。即在每個(gè)[t，t Δt]時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，完成如下計(jì)算步驟：

1) 假定耦合邊界上的溫度分布，作為流體區(qū)域的邊界條件。

2) 對(duì)其中流體區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，得出耦合邊界上的局部熱流密度和溫度梯度，作為固體區(qū)域的邊界條件。

3) 求解固體區(qū)域，得出耦合邊界上新的溫度分布，作為流體區(qū)域的邊界條件。

4) 重復(fù) 2) 、3) 兩步計(jì)算，直到收斂。