[发明专利]一种用于柔性多体薄壁结构的流固耦合方法

说明书

本发明公开了一种用于柔性多体薄壁结构的流固耦合方法，涉及海洋研究技术领域。通过惯性坐标系下的大变形流固耦合求解器一个多步迭代直接力浸入边界法施加任意刚性或柔性边界的无滑移边界条件，并基于绝对坐标有限元方法预报结构物的刚柔性和动力响应，并结合一个网格细化和异步推进方法耦合结构求解器和流体求解器，发展多体薄壁结构的大变形流固耦合计算方法。本方法在直角网格下施加任意动边界的无滑移边界条件，有能力模拟大变形和大幅刚体运动的刚柔耦合动力响应特性。网格细化和异步推进方法能提高流固耦合模型的数值稳定性，有能力模拟轻质和高刚性结构物。流固耦合求解器具有突出的求解性能，相比串行CPU求解器能获得接近100倍的加速比。

技术领域

本发明涉及海洋研究技术领域，更具体地说，它涉及一种用于柔性多体薄壁结构的流固耦合方法。

背景技术

随着深远海油气资源不断开发，海洋柔性薄壁结构物不断涌现如仿生机器鱼和复合材料螺旋桨。而且，随着高强度钢和复合材料的广泛使用，结构向大型化、多结构形式和轻质发展，结构物壁厚越来越薄，其结构刚度必然有所下降，导致流体与弹性结构之间的相互作用变得日益突出，例如，外飘型船艏甲板的局部水弹性砰击作用和海上风机叶片的颤振。这些新设备和新趋势对现行海洋结构分析理论和设计方法构成了挑战，迫切需要开展多体薄壁结构的大变形流固耦合动力响应研究，增强对新型海工装备流固耦合作用机理以及相关基础科学的认识和理解，以适应深远海资源开发和未来海工设备发展的需求。

数值模拟技术为流固耦合现象的研究提供了强有力工具。然而，薄壁结构流固耦合问题研究涉及多学科交叉领域的知识，包括结构大位移、大变形和共振响应，流场的非定常剪切层、涡泄的转捩和湍流等复杂现象以及多体之间的水动力干涉作用。目前，学术界对此类复杂问题的耦合作用机理及数值分析工具的开发尚处于探索阶段，数值求解此类流固耦合系统极具挑战性。已有的流固耦合数值分析方法多借助于商业或开源软件，在单体或小变形问题[2-3]上取得成功，缺乏针对多体薄壁结构大变形流固耦合问题的有效数值工具。

目前国内外学者就流固耦合理论和数值分析方法等相关方面已开展了大量研究并取得阶段性成果，但仍有一些重要问题有待进一步探索，包括：

(1)现有的流固耦合数值分析工具多基于边界拟合法，且在结构小变形流固耦合问题中取得成功。对于多体薄壁结构的大变形流固耦合数值研究目前还较少且不成熟，这也正是当前海洋结构物设计中急需突破的问题。

(2)非边界拟合方法对于复杂多体或拓扑变化界面的流动问题具有独特优势，并在刚性边界流固耦合或柔性边界强迫振荡问题中得到广泛应用。然而，对于柔性结构物与流场的相互作用问题，已有的数值模型过于简化或局限性明显，有必要针对变形界面的边界条件处理和非匹配网格间的数据传递等方面进行深入研究。

(3)计算效率是评价数值分析工具优劣的重要方面，也是限制流固耦合数值工具在工程实践中应用推广的关键因素。当前流行的流体仿真软件如Fluent、STAR-CCM+和OpenFOAM主要支持多核CPU加速，难以达到工程界对于计算效率的要求。有前途的替代方法是GPU/CPU异构并行加速技术，其是未来高性能科学计算的一个发展趋势。

鉴于此，开展柔性多体薄壁结构的流固耦合方法研究并开发相应的高精度、高效数值分析工具，既具有重要的科学意义，也是工程应用的迫切需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于柔性多体薄壁结构的流固耦合方法，针对柔性多体薄壁结构与流场的耦合动力响应数值研究，提出一个惯性坐标系下的大变形流固耦合求解器一个多步迭代直接力浸入边界法施加任意刚性或柔性边界的无滑移边界条件，基于绝对坐标有限元方法预报结构物的刚柔柔和动力响应，并结合一个网格细化和异步推进方法耦合结构求解器和流体求解器，发展多体薄壁结构的大变形流固耦合计算方法。