深水管线流固耦合问题的数值方法研究

深水管线流固耦合问题在海洋工程中广泛存在，由于管线细长和受弹性支撑，管线会发生柔性变形，在不同水深流动区域会激发不同模态的涡激振动现象，海底管线附近海床在复杂流场作用下会发生陶蚀现象，从而形成复杂的流体力学问题，是深海海洋工程极为关注和亟待解决的关键问题之一。本项目利用申请人及合作者提出的多重网格虚拟边界法，结合ALE方法、移动网格和分块并行技术，构建一个新的数值方法：流体-固体流场统一法，数值模拟典型的深水管线流固耦合问题，包括复杂形状管线涡激振动和锁定现象、管线柔性变形与流场相互作用、海底管线柔性变形与周围复杂流场相互作用等，为新型深水海洋平台和海底管线的设计、施工、运行与监测提供理论依据和技术支持。同时，还可以为其它相似的流固耦合问题(如螺旋桨和涡轮机叶片的振动现象)的机理探讨，模型构建和数值分析提供新的可借鉴的数值方法。本项目研究对丰富流固耦合理论和计算流体力学的发展都有重要意义。

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

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。

内容简介

《计算流固耦合动力学及其应用》结合作者的部分研究成果，系统介绍了计算流固耦合动力学的基本理论、数值方法和工程应用。内容主要包括：流体力学的基本控制方程、湍流及其工程湍流模型、大涡模拟方法、同步迭代强耦合方法、整体积分紧耦合方法、流固耦合试验研究等。全书理论研究和应用分析相结合，具有较强的学术和应用价值。 2100433B