CFD数值模拟技术及应用

1、第八届全国现代结构工程学术研讨会CFD数值模拟技术及应用丛峻王孟鸿骆云良北京 100044）提随着科学技术的进步使得现代建兔结构启式口新月异，人跨度结构形式的增多迫便我忙对务方面笛荷孩揮要系统的而对结构风作用的備定娥常規的徴法还是风洞试验.但其聂用奇、胃期长零缺点便其在一般建筑中应用很少 車文先介绍CFD数值模拟技术，再通过一般例子确定CFD技术的可行性，而朋燧该镇域的研究前量关词，潦网鶴合.数值风涧试验一、引言流体一结构耦合的数值模拟，是数值计算科学中极具挑战性的问题之一流固耦合问題可由其耦合方 程定义.这组方思的定义域同时有流体域与固体域.未知变余含有描述流体运动的变fit和描述固体反应的

2、变 R.耦合方視具有以下两点特征，1、流体域与固体域均不可单独求解：2、无法显式地消去描述流体运动的 独立变址及描述囲体反应的独立变it.流体一结构耦合作用问題是高度非线性问题，需宴求出耦合运动方程的瞬时解.耦合作用发生在流体 和结构的交界面上，其上满足运动学和动力学耦合条件.在流固耦合计算中.面临的问題之一是流体和结构 的描述方式不同.流体使用Euler描述.而结构需用Lagnwge描述.因此，在流场中需要对运动着的边界进 行处理 . 为了适应流体空何区域的时变性，最貝曾遍性的-种方法是改变对流体运动的搐述方式用ALE法解决 流固幡合问）8中的由于坐标不统一所帯来的运动界面协调问题 ALE描

3、述的生要待征是给定合适的网格运动 速度，以便维持计算网格的合理形状并准确描述物体的运动边界当流体一结构耦合界面飪移动后.计算 网格必须根据新的结构位形调整为保证网格不发生严重扭曲.在计算中必须对网格质虽进疗控制和校核CFD数值模拟技术x)e (0JxVA/“4第八届全国现代结构工程学术研讨会“4第八届全国现代结构工程学术研讨会692工业私筑2008堆刊“4第八届全国现代结构工程学术研讨会这样就能保证流体和结构时间积分方面的协调性令X=(X“XJ为耦合系统的求解矢鼠F= 0为其离敷方程，xz/x,和与/巧分别为流体、结构的求解矢耒和方程.在每一个平衞迭代中组装离散方程用孔接法和迭代法求X组装后的

4、耦合方程双向耦合的迭代计算也称为分(Partitioned Algorithm) 在求解过程中流体和结构求解变量是 完全耦合的.流体方稈和结构方程各自顾序求解.对每一个方稈组可以使用宜接或迭代求解器.其中一部分 总是使用由辎合系统的另外一部分的解所提供的最新信息。流体求解器和结构求幫券的单独处理，可以使两 者作为FSI程序的两个子程序一个迭代耦合下FSI程序有三个主要部分组成:流体丈解器.结构求解器和一 个用于以上两个求据器信息交换的界面稈序。迭代頁至整个耦合方稈的解达到收敛为I上.为求t+AtH刻的解，必须在流体模塑和结构模型之间进行迭代先假定初始初始猜测解*二 =：幺 和 =勺广已知k=h

5、2时刻解.需要下列平衞迭代得到“3的解：0)用F列流处方程求漁体解矢董X；：刁X；,人旷+(1-人曲20在流体流动分析中，利用预设的结构位移求解.其中人是位移松弛因?(02,1),因为流体和结构 模朝不是在同一个矩阵中求解所以该松弛丙子对许多难題是很有用的.(2) 如果仅要求構足应力准则.则计算应力残差并与容许谋差相对比.如果满足收敛准则，则跳过(3)和 ； (3) 用下面结构方稈求解结构解矢價X：巧X：,壮：+(1-人)丄：=0其中，2是应力松弛因子，0人引：:“(4) 用指定的边界条件Q；=心4； +(】人赳;t，计算流体节点位移：(5) 如果仅需要满足位移收敛准则.则计伴位移残差并与容许

6、误差相比较如果需满足两个准则则要计 算并检査这两个残差如果迭代还是没有收敛，则跳转回(1)继续迭代；貢至达创量大设定的循环数为止在求解过程中.滾体模型控制着时间步大小和求解所需时间.然而结构模型中所定义的时间函数必须涵 蔵整个计算时间段.控制耦合系统收敛的参数也是由流体来确定的.它幻分别是位移容许误差、应力容许误 差.松弛因子和收敛准刚等.在流体方程和结构方程中.流体和结构模型分别控制各自所耍达到的收敛穆度.迭代法比直接法所需内 存少.它适合求解大中小規模的问题.另外.在稳态分析中也表現很好.基于以上原因加之宜樓煜合法的 離点，在此领域的众多研究者都集中于迭代耦合方法的研究.(E9)效值楔拟结

7、构部分I一个跨度为15的网架模型.长20,在恒流M.v = 10m/j作用下的模拟结果.有限元模型中，屋面釆 用3D平面应力单元PLATE进行离散单元总数为2800：流体采用8节点六面体3D-S0LID流体单元对流体域 进行离敵网架侧视图（価）应力正视图应力后视图流体部分： 风速矢图三、结论1、屋盖上正压用人值都发生在迎风面前端.2、屋盖只冇小部分受正压，大部分受的是负压;3、在跨中结构受风压体型系数基本和建報结构荷我规范（GB50009-2001）中体型系数一致.通过计算机的数值模拟可以看出结果比较接近实际情况.再通过选择更适合的模型和参数可以使结果更 可札参考文献（1）王歇成邵敏有限暇元法

8、基本欣理和数值方法北京:清饴大学岀版社.2001（2）Hou Zhang, Xiaoli Zhang, Shanhong Ji. etc. Recent development of fluid-structure interaction capabilities in the ADINA system. CooputersiStructures, 2003, Vol. 81, PP. 1071-1085（3）J.B. Frandsen. Suaerical bridge deck studies using finite elements. Part I: flutter. Journal

9、of Fluids and Structures, 2004. Vol. 19. PP. 171-191 P.A. MENDES, f.A.Analysis of Fluid-Structure Interaction by an Arbitrary Lagrangian-Eulerian Finite Eleoent Fonulation Inienrnliorml Journal of Nunerical Methods in Fluids, 1999, Vol. 30, PP. 897-919（5）中华人民共和Bit设部建筑结构范（GB50009-2001）.北京:中国俚筑工业出版社 2

10、002694工业建筑2008增刊mHHSlg1 1 1 WAHANGDATACF数值模拟技术及应用作者：丛峻，王孟鸿，骆云良作者单位：北京建筑工程学院北京,100044相似文献(10条)1. 学位论文王正茂油藏含砂流体渗流机理及流固耦合单井数值模拟研究2004本文根据出砂油井开采过程中流体渗流和砂粒产生、运移、沉降、堵塞与油井围岩弹塑性变形动态耦合的作用提理了含砂流体流固耦合渗流 数值模拟这一新概念并首次对含砂流体流固耦合渗流理论及数值模拟方法进行了研取得了突破性成果对于易出砂储层的开采具有重要的指导意义 .本文在前人大量实验和理论分析成果的基础上&渗流力学、岩石力学和弹塑性力学相结缠过多学科

11、综合研究首次建立了一套新型的、完整的含砂 流体流固耦合渗流单井数值模拟理论模;探索出了实现含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟的一系列配套技术和方研制了在微机上实现含砂流体流 固耦合渗流单井数值模拟的软件并通过实例分析验证了本文理论、方法及软件的正确性和有效，在模型建立方面本文通过多学科综合研究创建了储 层岩土骨架破坏准则和可动砂启动准贝为出砂油层流固耦合渗流单井数值模拟模型的建立打下坚实的基在此基础上本文首次将流体中的可动砂作为 流体中的一相进行研究建立了流固耦合情况下流体和可动砂的运动方程以及骨架砂剥离本构方程、可动砂在孔隙表面和喉道沉降方根据质量守恒 原理建立了含砂流体流固耦合渗流三维四相单

12、井黑油模歌后根据油井围岩弹塑性变形的特点建立了油井围岩弹塑性变形本构模型并根据有效应力原 理及平衡条件建立了油井围岩弹塑性变形平衡微分方讎物性参数动态模型方面本文考虑了体积应变、骨架砂剥离、可动砂在孔隙表面和喉道沉积对 物性参数的影响建立了含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟所需的物性参数动态模这些准则和模型的建立构成了完整的含砂流体流固耦合渗流单井 数值模拟模型在模型求解方面本文根据有限差分的基本原理研究了用于含砂流体流固耦合渗流单井模型求解的有限差分方根据有限元的基本原理 ,研究了用于出砂流固耦合油井围岩弹塑性变形模型求解的有限元方法据含砂流体渗流模型差分求解和油井围岩弹塑性变形模型有限元求解

13、的基本特 点，研究了在两个模型间耦合求解的方法在模拟器研制和实例分析方面本文根据软件工程的基本要求研制了含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟I通 过该模拟器对实例进行了模拟计算证实了本文理论模型、方法与模拟器的正确性和有效，研究结果表明储层中砂粒产生、运移、沉降、堵塞对流体渗 流、岩土骨架变形有着明显影响并最终影响油井的开采因此，含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟不仅具有很强的理论意而且对油井开采和油田开 发具有重要的指导作用.2. 期刊论文 郝继光.姜毅.刘琦.HAO Ji-guang. JIANG Yi. LIU Qi导弹头部气动加热的流固耦合数值模拟-弹箭与 制导学报2006,26(4)采用非

14、定常数值模拟方法对某型号远程导弹头部气动加热问题进行了研提岀了一种流固耦合的计算方法在求解流体力学控制方程组的同耳旅解 流体与固体表面的热传递方程以及固体区域的能量方穂算获得了各个时刻流场内的温度、压力、速度等参数的空间分布时得到了导弹头部固体区 域及导弹内部的温度变化研究表明采用流固耦合方法对气动加热问题进行模扌可以得到合理可用的弹表温度数据.3. 学位论文文成杨双重介质气藏流固耦合数值模拟研究2005近年来，随着石油工业的发展以及解决复杂石油工程问题的需要，流固耦合研究在石油钻井、开采、开发领域显得越来越重要，并已受到人们的高 度重视。目前，油气田开发数值模拟领域的流固耦合问题研究主要成果

15、集中在单重介质多相流体流固耦合方面，双重介质储层流体流固耦合问题的特殊 性表现为全耦合模型建立的难度大和数值求解技术的复杂性。本文针对目前在双重介质气藏流固耦合数值模拟问题的研究中存在的理论问题和求解技术 进行了研究，采用双重有效应力理论来研究该问题，并推导了有限元求解方程，编制了计算程序。有利于制定科学合理的开发方案，提高决策的准确性 和科学性。本文在前人大量的实验和理论研究成果的基础上，在双重介质气藏流固耦合理论方面完成了以下研究工作：1、分析了采用的Terzaghi广义有效应力理论研究岩石等致密介质的局限性和对双重介质流固耦合问题研究的不适应性，将双重有效应力理论作为基 础来研究双重介质

16、气藏流固耦合数值模拟问题。2、针对双重介质气臧储层在变应力下的弹塑性变形特征，采用了基于Ucker-Pragei准则建立的弹性储层和弹塑性储层的本构模型，并给出了相应 的矩阵描述和矩阵表达式。3、在油臧岩石应力和应变分析基础上，结合双重有效应力理论和岩石骨架本构关系，建立了双重介质储层岩石骨架应变的数学模型，包括应变孔隙 体积方程、应变渗透率模型、岩石骨架本构关系等。固相平衡方程和流体流动方程组成了以流体压力和介质变形为函数相互耦合的双重介质气藏渗流的 流固耦合模型。模型各方程之间互含耦合项，互不独立是一组完全耦合的偏微分方程。4、由于控制方程的复杂特性和非线性，常用有限差分方法在处理差分网格

17、的方向、复杂的曲线边界和非线性介质特性以及解的稳定性方面的计算精 度无法满足数值模拟的精度要求。本文采用有限元方法，以位移和流体压力为未知变量，建立了双重介质气藏渗流的有限元数值模型。利踊in方 法得到了控制方程在几何域上的耦合解，并利用全隐式数值格式得到了半离散微分方程在时间域上的耦合解。5、利用本文建立的流固耦合有限元模型，采用EP开发了裂缝一孔隙型双重介质气藏全耦合流固耦合渗流的数值模拟有限元计算程序。推导了一维 单向模型解析解并与数值解计算程序进行对比，算例对比结果显示，数值模型计算程序结果与解析解结果相吻合。6、对一典型裂缝一孔隙型双重介质气藏开采过程进行了数值模拟并与传统的非耦合模

18、型和采用agh广义有效应力理论所建立的流固耦合模型相 比较。结果表明，在双重介质气藏储层进行降压开采时，由于裂缝和孔隙压力降低，导致岩体有效应力的增加，使孔隙体积发生减小，油藏渗透率降低 。与非耦合模型相比，考虑流固耦合效应时，油藏储层岩石的变形会对岩石物性参数产生影响，对模拟计算的开发指标有一定的影响。与采用 Terzagh广义有效应力理论所建立的原有流固耦合模型相比，原有模型中考虑的油藏储层岩石的变形对岩石物性参数产生影响有所夸大。双重有效应力 理论更能正确反映储层岩石应力的变化。4. 期刊论文 王自明.杜志敏 变温条件下弹塑性油藏中多相渗流的流固耦合数学模型与数值模拟-石油勘探与开发20

19、01,28(6)基于流固耦合力学理论和热力学理论，建立了变温条件下弹塑性油藏中多相渗流的数学模型。假设油藏中岩石固相骨架是可变形的，孔隙流体压力 、温度场的变化将导致油藏内有效应力发生变化，从而导致岩石骨架变形，这种变形反过来又影响多相流体的渗流。建立变温条件下完全耦合的流体渗 流方程和固相变形方程，它们互不独立，不能单独求解，只能联立求解。假设岩石骨架具有弹塑性，采用了建立在屈服准则基础上的弹塑性本构模型。 针对某些温度场变化大的油藏，如注热水、注蒸汽开采的油藏，充分考虑了温度场变化对岩石骨架变形和流体渗流的影响热载荷，概念引入固相变 形方程来描述这种影响，并给出了热载荷的求法。交替运用有限

20、差分和有限元法给出变温条件下的耦合数值模拟方法。所建立的数值模拟方法可作为编 制变温流固耦合软件的依据。参1(王自明摘)5. 期刊论文 偶国富.许根富.朱祖超.杨健.王艳萍 弯管冲蚀失效流固耦合机理及数值模拟-机械工程学报2009,45(11)针对流体输送管道失效研究中存在的问;I主要研究腐蚀与流体流动的交互作用对管道冲蚀破坏的作用机建立流固耦合数理模型推导出在任意拉 格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)描述下的粘性流体J-S方程和腐蚀产物保护膜固体区域的控制方酚析管壁边界层多相流介质流动与腐蚀 产物保护膜破损之间的耦合作用以弯管的冲蚀失效为例结合弯管的结构

21、特性、多相流的物性参数运用ANSYS限元分析软件采用物理环境顺序耦合法 进行流固耦合数值模拟分析管壁腐蚀产物保护膜的变形程度和受力状态判定弯管冲蚀破坏的危险区域和失效趋势现场测厚数据与仿真计算结果基本吻 合,验证仿真计算的可靠性和可行性该方法可用于管道输送系统的风险预测、安全评估和工艺改造.6. 期刊论文 王侃.曹义华.于子文.潘星.Wang Kan Cao Yihua. Yu Ziwen. Pan Xing降落伞流固耦合问题的数值模拟 和流场分析-北京航空航天大学学报2007,33(9)提出了基于压力耦合的半隐式算法即SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pres

22、sure-Linked Equations)算法和生成阶梯网格方法的对稳定下降阶 段的降落伞进行数值模拟的新方汾匕方法在降落伞流固耦合计算中具有较好的稳定性和较高的效对降落伞稳定下降阶段的流固耦合问题进行了数值 模拟降落伞模型分别采用了圆形伞和锥形伞稳定下降时的结构数并对锥形伞模型进行了不同来流攻角情形下的模拟与平行有限元方法相比采用 SIMPL算法的新方法得到了更准确和更合理的结此新方法可以作为传统数值模拟方法的一个可靠替代和重要补充.7. 学位论文张晓波船底结构砰击时的流固耦合数值模拟2007当船舶在恶劣的海况下高速航行时，由于较大的纵摇和垂荡运动，船首和其它部位会因频繁地出入水发生砰击，

23、导致船体局部结构损坏或引起整个 船体振动甚至折断。由于砰击载荷作用而导致的沉船事故屡见不鲜，因此在实际应用中，很有必要研究船体剖面在砰击情况下的强度计算问题，这对于 大、中型船舶的船体砰击问题有着现实的指导意义。砰击问题的难点主要来自三方面：该过程的非定常性、液面的大波动性及流固耦合界面的非线性。本文利用大型有限元工程软件nsys/ls-dYN为前后处理和中间计算，数值模拟了二维刚性楔形体入水砰击的过程。在数值模拟计算中，结构采用 了 Lagrang矩形壳单元进行网格划分，流场则采用uler六面体实体单元进行网格划分；结构与流体间采用任意拉格朗日一欧拉方法bitrary Imgrangian Eulerian,即AL方法)中的罚函数耦合算法，两者的交界面定义为流固耦合面。并考虑了结构的入水速度、重力、边界条件等因素，得到了 楔形体的垂向加速度曲线，并与试验结果进行了对比，得到了与试验数据比较一致的结论，从而验证了数值模拟方法的可靠性。本文还进一步对二维楔形体入水砰击过程中遇到的影响入水的各种因素作了综合地分析研究。并用同样的方法，研究了二维刚性平底结构及三体船 主体首部龙骨处平底结构的入水砰击过程，得到了有意义的结论，同时也指出了存在的问题以及进一步的研究方向