船舶流固耦合及非線性波浪載荷響應(yīng)研究項目摘要

一船舶流固耦合動力計算：以半無矩殼理論和簡單格林函數(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算。通過模型試驗驗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。提供了一種高效實用的船舶水彈性分析方法。同時也給出船體薄壁梁流固耦合計算方法以適應(yīng)國內(nèi)外廣泛采用的有限梁分析方法。二計及船型非線性的波浪載荷計算，并將規(guī)則波時域分析擴展到不規(guī)則波中，考慮了砰擊彎矩的合成計算。計算結(jié)果與試驗有良好的一致性。對集裝箱船采用船體薄壁梁模型計算非線性波浪的垂直時域響應(yīng)和斜浪中扭轉(zhuǎn)與水平耦合響應(yīng)，提供一種實用方法和計算程序。 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)所有物理過程進行瞬態(tài)緊耦合算法，能使計算結(jié)果與實驗結(jié)果高度吻合。但是，該瞬態(tài)緊耦合計算需要消耗大量的計算資源，難以用于解決實際復(fù)雜工程問題。

根據(jù)問題的特征，有些研究者近似認為在計算時間內(nèi)，某些參數(shù)的狀態(tài)是不變的，進而直接將瞬態(tài)問題轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題。對于絕大多說不能通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)處理直接轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題的瞬態(tài)問題，有些研究者主張保留耦合的非穩(wěn)態(tài)特性，提出各部分分別進行瞬態(tài)求解,并通過邊界條件、參數(shù)值及活動網(wǎng)格等方式進行實時信息交互的瞬態(tài)松耦合傳熱問題的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等針對高超聲速流中固體表面帶輻射及燒蝕相變過程的流固耦合強制對流傳熱問題，提出將流體 Navier-Stokes 方程與固體導(dǎo)熱、輻射及燒蝕相變過程分別進行瞬態(tài)求解，并利用流體數(shù)值計算結(jié)果對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 等針對飛機氣彈分析中帶固體形變的流固耦合傳熱問題，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)值計算結(jié)果對其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，同時利用固體應(yīng)變方程的計算結(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)流場的松耦合算法，即近似認為在整個流固耦合傳熱過程中，流場處于若干個準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，每一個準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的流場都使用穩(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翼前緣的耦合傳熱問題。Chen 和Zhang等交替進行穩(wěn)態(tài)流場計算與固體燒蝕和瞬態(tài)導(dǎo)熱的松耦合算法計算了帶燒蝕的流固耦合傳熱問題。2100433B

本項目以刷式密封與轉(zhuǎn)子交互作用下接觸點傳熱及流固耦合傳熱動力學(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)流固耦合實驗方面積累的豐富經(jīng)驗和先進密封技術(shù)研究的基礎(chǔ)，建立了刷式密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)學(xué)實驗平臺完成流固熱耦合數(shù)學(xué)模型的驗證。本項目旨在提出接觸密封理論模型和接觸力選擇準(zhǔn)則，通過實驗和數(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。

流固耦合傳熱計算 的關(guān)鍵是實現(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程可表示為

在求解流固耦合的瞬態(tài)溫度場時，流體區(qū)域可按準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流場處理，即不考慮流場的動量和湍方程，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)溫度場控制方程，可以使用分區(qū)瞬態(tài)緊耦合算法進行求解。即在每個[t，t Δt]時間步長內(nèi)，完成如下計算步驟：

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) 對其中流體區(qū)域進行穩(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) 兩步計算，直到收斂。