[发明专利]一种基于连续介质力学的流固耦合高精度数值模拟方法

摘要

本发明提出一种基于连续介质力学的流固耦合的高精度数值模拟方法，属于流固耦合数值模拟技术领域。本发明实现方法如下：基于本质无震荡(WENO)有限差分方法，同时耦合水平集方法(Level‑Set)和真实虚拟流体方法(RGFM)的联合算法，实现连续介质力学的流固耦合的高精度数值模拟。WENO有限差分格式能通过选取空间模板格点实现空间的高精度离散，保证计算精度并显著降低冲击波的耗散；Level‑Set方法能有效处理多物质界面的复杂拓扑结构变化；RGFM方法能有效抑制冲击波与物质界面相互作用产生的非物理振荡问题。本发明能提高对流固耦合过程预测的准确性，进而解决流固耦合领域相关工程技术问题。流固耦合领域包括高速侵彻武器、防护装备、航空航天、机械工程领域。

主权项

1.一种基于连续介质力学的流固耦合高精度数值模拟方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1：确定流体、固体计算区域，建立直角坐标系，在直角坐标系将该区域划分为m*n个网格，其中，m表示x方向网格数量，n表示y方向网格数量；步骤2：定义计算区域内初始状态下的用于区分界面位置的Level‑Set函数、各区域物理量、建立基于连续介质力学的流体、固体控制方程组、材料状态方程函数，根据用于区分界面位置的Level‑Set函数划分的各区域，并为上述函数及方程组各未知物理量赋初始值；步骤3：对步骤2划分的各区域设置边界条件；步骤4：选取计算参数CFL计算时间步长；步骤5：基于步骤2各物理量的初始值赋值对计算区域初始化；步骤6：根据Level‑Set函数分别求解各区域多物质界面法向量；步骤7：求解流体计算区域界面处的黎曼问题并确定流固耦合界面附近网格的物理状态；步骤8：在计算固体时，将流体计算区域设置为虚拟固体网格，按照步骤7的方法求解固体计算区域界面处的黎曼问题并确定流固耦合界面附近网格的物理状态；步骤9：采用高精度的WENO格式对单一介质计算区域进行空间离散；步骤10：采用TVD Runge‑Kutta格式对单一介质计算区域进行时间离散；步骤11：重复步骤9‑步骤10，对各物质区域分别进行空间、时间离散，得到tⁿ⁺¹时刻各物质区域的物理状态；步骤12：整合步骤11得到的不同区域流场物理状态，得到全流场物理状态，对Level‑Set运动方程的空间导数项进行离散并进行求解，得到tⁿ⁺¹时刻各物质区域Level‑Set函数；步骤13：基于当前计算的Level‑Set全场值，对步骤9‑步骤12得到的固体、流体流场进行选取，整合全流场物理状态，得到n+1时刻全场的物理状态；步骤14:判断当前计算时间tⁿ⁺¹与设定总时间t^total的关系：若tⁿ⁺¹>t^total，则结束数值模拟，输出计算区域内网格单元的压力值；若tⁿ⁺¹<t^total，则返回步骤3，按照步骤13得到的物理状态设置边界条件，继续进行流固耦合的高精度数值模拟。