流固耦合動(dòng)力學(xué)

第1章 流固耦合概述

1.1 流固耦合基本概念

1.2 流固耦合問題應(yīng)用

1.3 流固耦合分析方法

1.3.1 線性流固耦合分析方法

1.3.2 非線性流固耦合分析方法

1.3.3 物態(tài)變化時(shí)流固耦合分析方法

參考文獻(xiàn)

第2章 流固耦合的有限元法

2.1 流體運(yùn)動(dòng)方程與流體元

2.1.1 流體運(yùn)動(dòng)方程

2.1.2 流體元

2.2 結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程

2.3 時(shí)域與頻域求解

2.4 濕模態(tài)法與干模態(tài)法

2.4.1 濕模態(tài)法

2.4.2 干模態(tài)法

2.5 雜交子結(jié)構(gòu)法

參考文獻(xiàn)

第3章 流固耦合的邊界元法

3.1 流體控制方程

3.2 Green方程

3.3 Hess-Smith方法

3.4 干模態(tài)法

3.5 濕模態(tài)法

3.6 邊界元法的應(yīng)用

參考文獻(xiàn)

第4章 流固耦合的SPH方法與譜單元方法

4.1 概述

4.2 SPH方法

4.2.1 SPH基本原理

4.2.2 SPH方法的關(guān)鍵技術(shù)

4.2.3 SPH方法的數(shù)值實(shí)現(xiàn)

4.2.4 SPH方法在艦船接觸爆炸中的應(yīng)用

4.3 譜單元方法

4.3.1 譜單元方法簡(jiǎn)介

4.3.2 譜單元方法原理

4.3.3 一維譜單元方法的應(yīng)用

4.3.4 三維譜單元方法的應(yīng)用

4.4 流固耦合問題的其他分析方法

參考文獻(xiàn)

第5章 瞬態(tài)載荷作用下的流固耦合分析

5.1 延遲勢(shì)法及其數(shù)值解法

5.1.1 延遲勢(shì)法

5.1.2 延遲勢(shì)法的數(shù)值解法

5.2 雙漸近法

5.2.1 早期近似法

5.2.2 后期近似法

5.2.3 雙漸近法的形成

5.2.4 聲學(xué)近似DAA法

5.3 改進(jìn)的雙漸近法

5.3.1 改進(jìn)方法的背景

5.3.2 求解思路

5.3.3 非線性雙漸近法的有效性

5.3.4 非線性雙漸近法的應(yīng)用

5.3.5 沖擊波對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的損傷

5.3.6 沖擊波與氣泡對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的損傷

參考文獻(xiàn)

第6章 小尺度物體的流固耦合振動(dòng)

6.1 漩渦脫落與渦激振動(dòng)

6.1.1 漩渦形成和脫落機(jī)理

6.1.2 漩渦脫落特性

6.2 細(xì)長(zhǎng)彈性體的流固耦合振動(dòng)預(yù)報(bào)

6.2.1 升力振子模型

6.2.2 升力相關(guān)模型

6.2.3 彈性雙柱流固耦合振動(dòng)預(yù)報(bào)方法

6.3 線內(nèi)振動(dòng)

6.4 波流中小尺度物體振動(dòng)分析

6.4.1 莫里森公式

6.4.2 莫里森公式中系數(shù)的討論

6.4.3 升力系數(shù)

6.4.4 波浪中圓柱體的尾渦圖形

6.5 渦激振動(dòng)的抑制方法

6.6 深海立管與管線的渦激振動(dòng)

6.7 跳躍振動(dòng)

6.7.1 發(fā)生跳躍振動(dòng)的條件和判斷準(zhǔn)則

6.7.2 跳躍振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)解

6.7.3 減小跳躍振動(dòng)的方法

參考文獻(xiàn)

第7章 水下氣泡與邊界的耦合效應(yīng)

7.1 水下氣泡動(dòng)力學(xué)特性數(shù)值模型

7.2 水下放電氣泡實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

7.2.1 電火花氣泡形成原理

7.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置的安裝與使用

7.3 水下氣泡的種種特性

7.3.1 自由場(chǎng)中氣泡

7.3.2 水平壁面附近氣泡

7.3.3 自由面附近氣泡

7.3.4 舷側(cè)附近氣泡

7.3.5 氣泡融合效應(yīng)

7.3.6 氣泡與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的相互作用

7.3.7 氣泡與邊界相互作用的數(shù)值模擬

參考文獻(xiàn)2100433B

《流固耦合動(dòng)力學(xué)》系統(tǒng)、詳細(xì)地講述了流固耦合問題的求解方法和基本理論。全書共分7章，主要內(nèi)容包括流固耦合的有限元法、邊界元法、SPH方法、瞬態(tài)流耦合分析方法和小尺度物體的流固耦合振動(dòng)及水下氣泡與邊界的耦合效應(yīng)等。《流固耦合動(dòng)力學(xué)》在講述過程中還輔以相關(guān)的算例，便于學(xué)者學(xué)習(xí)和理解?！读鞴恬詈蟿?dòng)力學(xué)》可以作為高等學(xué)校的研究生教材，也可作為希望在這一領(lǐng)域進(jìn)行研究和應(yīng)用的科技工作者的參考書。未經(jīng)許可，不得以任何方式復(fù)制或抄襲《流固耦合動(dòng)力學(xué)》的部分或全部?jī)?nèi)容。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

《計(jì)算流固耦合動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》結(jié)合作者的部分研究成果，系統(tǒng)介紹了計(jì)算流固耦合動(dòng)力學(xué)的基本理論、數(shù)值方法和工程應(yīng)用。內(nèi)容主要包括：流體力學(xué)的基本控制方程、湍流及其工程湍流模型、大渦模擬方法、同步迭代強(qiáng)耦合方法、整體積分緊耦合方法、流固耦合試驗(yàn)研究等。全書理論研究和應(yīng)用分析相結(jié)合，具有較強(qiáng)的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。 2100433B

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。

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