船舶流固耦合及非线性波浪载荷响应研究

一船舶流固耦合动力计算：以半无矩壳理论和简单格林函数构造的三维流体边界元法为基础，利用干模态建立一种新的船舶水弹性模型用于船体振型频率计算。通过模型试验验证了理论方法的正确性，比应用三维壳体有限元散船体的水弹性方法有明显的优越性。提供了一种高效实用的船舶水弹性分析方法。同时也给出船体薄壁梁流固耦合计算方法以适应国内外广泛采用的有限梁分析方法。二计及船型非线性的波浪载荷计算，并将规则波时域分析扩展到不规则波中，考虑了砰击弯矩的合成计算。计算结果与试验有良好的一致性。对集装箱船采用船体薄壁梁模型计算非线性波浪的垂直时域响应和斜浪中扭转与水平耦合响应，提供一种实用方法和计算程序。 2100433B

流固耦合传热紧耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等开发了将流体及固体内所有物理过程进行瞬态紧耦合算法，能使计算结果与实验结果高度吻合。但是，该瞬态紧耦合计算需要消耗大量的计算资源，难以用于解决实际复杂工程问题。

根据问题的特征，有些研究者近似认为在计算时间内，某些参数的状态是不变的，进而直接将瞬态问题转化为稳态问题。对于绝大多说不能通过准稳态处理直接转化为稳态问题的瞬态问题，有些研究者主张保留耦合的非稳态特性，提出各部分分别进行瞬态求解,并通过边界条件、参数值及活动网格等方式进行实时信息交互的瞬态松耦合传热问题的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等针对高超声速流中固体表面带辐射及烧蚀相变过程的流固耦合强制对流传热问题，提出将流体 Navier-Stokes 方程与固体导热、辐射及烧蚀相变过程分别进行瞬态求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，直至迭代收敛。Lohner 等针对飞机气弹分析中带固体形变的流固耦合传热问题，将流体 Navier-Stokes 方程及固体导热和应变方程分别求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，同时利用固体应变方程的计算结果修正流体耦合边界位置和速度边界条件，直至迭代收敛。

流固耦合传热松耦合

有些研究者提出了基于准稳态流场的松耦合算法，即近似认为在整个流固耦合传热过程中，流场处于若干个准稳态，每一个准稳态的流场都使用稳态 Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos结合二维边界单元法和高超声速计算流体力学( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超声速流与机翼前缘的耦合传热问题。Chen 和Zhang等交替进行稳态流场计算与固体烧蚀和瞬态导热的松耦合算法计算了带烧蚀的流固耦合传热问题。2100433B

本项目以刷式密封与转子交互作用下接触点传热及流固耦合传热动力学规律为研究目标，综合多种因素的（刷丝之间、刷丝与后挡板摩擦以及刷丝弯曲效应）影响，应用数值模拟手段，建立非线性接触力数学模型以及接触力作用下流固耦合传热模型。利用课题组在密封-转子系统流固耦合实验方面积累的丰富经验和先进密封技术研究的基础，建立了刷式密封-转子系统学实验平台完成流固热耦合数学模型的验证。本项目旨在提出接触密封理论模型和接触力选择准则，通过实验和数值手段研究刷式密封-转子系统流固耦合传热规律，建立及完善流固热耦合数学模型，能数值分析不同刷式密封与转子系统结构下，系统内刷式密封与转子接触力及摩擦生热等参数，为研究工质泄漏、转子稳定性以及部件疲劳寿命提供重要的手段。

流固耦合传热计算 的关键是实现流体与固体边界上的热量传递。由能量守恒可知 ，在流固耦合的交界面 ，固体传出的热量应等于流体吸收的热量，因此 ，流固边界面上的热量传递过程可表示为

在求解流固耦合的瞬态温度场时，流体区域可按准稳态流场处理，即不考虑流场的动量和湍方程，则其控制方程式

固体区域控制方程以其基本导热方程表示为

流固交界面上不考虑发生的辐射、烧蚀相变等过程，则流固交界面上满足能量连续性条件，即温度和热流密度相等。具体控制方程式为

上述构成了流固耦合瞬态温度场控制方程，可以使用分区瞬态紧耦合算法进行求解。即在每个[t，t Δt]时间步长内，完成如下计算步骤：

1) 假定耦合边界上的温度分布，作为流体区域的边界条件。

2) 对其中流体区域进行稳态求解，得出耦合边界上的局部热流密度和温度梯度，作为固体区域的边界条件。

3) 求解固体区域，得出耦合边界上新的温度分布，作为流体区域的边界条件。

4) 重复 2) 、3) 两步计算，直到收敛。