管道伴流聲場(chǎng)問題計(jì)算的無網(wǎng)格-半解析耦合方法研究

為克服網(wǎng)格化方法的缺點(diǎn)，無網(wǎng)格方法近年來得以快速發(fā)展。將無網(wǎng)格方法用于船用管道消聲裝置的三維伴流聲場(chǎng)計(jì)算，將其與解析方法匹配形成半解析方法，進(jìn)而與數(shù)值方法耦合求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的伴流聲場(chǎng)問題，研究該方法與有網(wǎng)格方法相比在計(jì)算速度和精度上的優(yōu)缺點(diǎn)，是一項(xiàng)具有現(xiàn)實(shí)意義的課題。 課題使用二維無網(wǎng)格法求解消聲器的橫向模態(tài)，研究了強(qiáng)式無網(wǎng)格方法和全局弱式無網(wǎng)格方法求解橫向模態(tài)的應(yīng)用特點(diǎn)，分析了支持域尺寸和基函數(shù)形狀參數(shù)對(duì)計(jì)算精度的影響。研究結(jié)果表明當(dāng)支持域尺寸大于2.5倍 時(shí)，形狀參數(shù) 在2-3.5之間取值時(shí)，計(jì)算得到的本征值精度較高。應(yīng)用無網(wǎng)格-模態(tài)匹配耦合方法計(jì)算并分析了典型結(jié)構(gòu)消聲器的聲學(xué)性能。將耦合方法計(jì)算結(jié)果分別與三維有限元法計(jì)算結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了耦合方法以及計(jì)算程序的正確性。比較了耦合方法和三維有限元方法的計(jì)算時(shí)間，證明了本項(xiàng)目提出的耦合方法的優(yōu)越性。開發(fā)了計(jì)算簡(jiǎn)單膨脹腔消聲器傳遞損失的三維無網(wǎng)格程序，分析了背景網(wǎng)格對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算速度的影響，當(dāng)背景網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)數(shù)不少于場(chǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)的三分之一時(shí)，即可滿足計(jì)算精度。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)消聲器，提出了基于子域劃分的耦合處理方法。將復(fù)雜結(jié)構(gòu)消聲器劃分成幾個(gè)子域，對(duì)于橫截面沿軸線方向均勻一致的子域結(jié)構(gòu)采用無網(wǎng)格-模態(tài)匹配耦合方法求解其傳遞矩陣，對(duì)于橫截面沿軸向方向不一致的子域結(jié)構(gòu)利用三維無網(wǎng)格方法求解其傳遞矩陣，利用各個(gè)子域在公共交界面上的連續(xù)性條件，求解消聲器的整體傳遞矩陣，進(jìn)而計(jì)算得到其傳遞損失。使用耦合處理方法計(jì)算雙腔結(jié)構(gòu)消聲器的傳遞損失，并且與三維有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的正確性。 為了驗(yàn)證本文所提出的無網(wǎng)格—模態(tài)匹配耦合方法預(yù)測(cè)消聲器聲學(xué)性能的正確性，利用兩負(fù)載法測(cè)量了無流狀態(tài)下兩種穿孔管消聲器的傳遞損失，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與本項(xiàng)目耦合方法計(jì)算結(jié)果吻合良好，表明本項(xiàng)目所開發(fā)的無網(wǎng)格--模態(tài)匹配耦合方法預(yù)測(cè)程序是正確的。 2100433B

無網(wǎng)格方法是近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界及工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于固體力學(xué)，動(dòng)力學(xué)以及流體力學(xué)的研究，在聲學(xué)的應(yīng)用較少。管道聲學(xué)是一種常見的工程問題，研究噪聲在管道流動(dòng)介質(zhì)中的傳播和衰減特性是聲學(xué)設(shè)計(jì)和噪聲控制的基礎(chǔ)。本課題使用無網(wǎng)格方法研究管道伴流聲場(chǎng)特性，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或填充材料的不同將管道劃分成不同子域，使用二維無網(wǎng)格法和模態(tài)匹配法結(jié)合形成半解析方法求解規(guī)則結(jié)構(gòu)子域聲場(chǎng)，采用三維徑向點(diǎn)插值配點(diǎn)型無網(wǎng)格方法求解不規(guī)則結(jié)構(gòu)子域聲場(chǎng)。探索無網(wǎng)格形參函數(shù)、配點(diǎn)方案以及導(dǎo)數(shù)邊界條件的處理技術(shù)對(duì)管道伴流聲場(chǎng)計(jì)算精度的影響，實(shí)現(xiàn)無網(wǎng)格-半解析耦合技術(shù)研究不規(guī)則管道三維伴流聲場(chǎng)特性的目標(biāo)，為無網(wǎng)格法在管道聲學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

以薄板和薄殼及其組合結(jié)構(gòu)為代表的薄壁類結(jié)構(gòu)，是使用最廣泛的一類結(jié)構(gòu)，也是聲振耦合最強(qiáng)烈的一類結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容為：（1）板殼及其復(fù)合結(jié)構(gòu)聲阻抗邊界條件的建模，探索便捷、合理的邊界條件建模方法。（2）板殼類結(jié)構(gòu)－聲耦合系統(tǒng)的中頻計(jì)算方法研究。主要進(jìn)行兩方面探索：（i）WBM研究振動(dòng)聲問題；（ii）混合FEM－WBM分析振動(dòng)聲問題。在實(shí)際計(jì)算中，探索這些方法與頻移變換技術(shù)和快速多極邊界元法的結(jié)合。（3）板殼類結(jié)構(gòu)－聲耦合問題中的特殊困難，如某些板殼結(jié)構(gòu)沒有明確的低頻和中頻特征、板殼結(jié)構(gòu)存在大量的同頻模態(tài)群等；（4）探索模型的不確定因素及其對(duì)離散和計(jì)算結(jié)果的評(píng)價(jià)方法。這些問題都是該領(lǐng)域的前沿課題。本項(xiàng)目的研究和結(jié)果，將推動(dòng)建立板殼類結(jié)構(gòu)－聲耦合系統(tǒng)的有效分析計(jì)算方法，獲得一些新現(xiàn)象和新規(guī)律，為噪聲控制系統(tǒng)和其它相關(guān)結(jié)構(gòu)聲學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用提供理論和技術(shù)支撐。 2100433B

深水管線流固耦合問題在海洋工程中廣泛存在，由于管線細(xì)長(zhǎng)和受彈性支撐，管線會(huì)發(fā)生柔性變形，在不同水深流動(dòng)區(qū)域會(huì)激發(fā)不同模態(tài)的渦激振動(dòng)現(xiàn)象，海底管線附近海床在復(fù)雜流場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生陶蝕現(xiàn)象，從而形成復(fù)雜的流體力學(xué)問題，是深海海洋工程極為關(guān)注和亟待解決的關(guān)鍵問題之一。本項(xiàng)目利用申請(qǐng)人及合作者提出的多重網(wǎng)格虛擬邊界法，結(jié)合ALE方法、移動(dòng)網(wǎng)格和分塊并行技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)新的數(shù)值方法：流體-固體流場(chǎng)統(tǒng)一法，數(shù)值模擬典型的深水管線流固耦合問題，包括復(fù)雜形狀管線渦激振動(dòng)和鎖定現(xiàn)象、管線柔性變形與流場(chǎng)相互作用、海底管線柔性變形與周圍復(fù)雜流場(chǎng)相互作用等，為新型深水海洋平臺(tái)和海底管線的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行與監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。同時(shí)，還可以為其它相似的流固耦合問題(如螺旋槳和渦輪機(jī)葉片的振動(dòng)現(xiàn)象)的機(jī)理探討，模型構(gòu)建和數(shù)值分析提供新的可借鑒的數(shù)值方法。本項(xiàng)目研究對(duì)豐富流固耦合理論和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展都有重要意義。

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(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)雜工程問題。

根據(jù)問題的特征，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)問題轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題。對(duì)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(jìn)行瞬態(tài)求解,并通過邊界條件、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程的流固耦合強(qiáng)制對(duì)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(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題。2100433B