基于粘性力修正的虚拟点浸没光滑点插值方法求解流固耦合问题

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:czqmip
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采用数值模拟方法研究流固耦合问题逐步成为近些年来的焦点。浸没光滑点插值方法(IS-PIM)基于浸没类方法的思想,采用分区域求解的技术,通过引入虚拟流体来求解流固耦合系统。在采用原始IS-PIM求解流固耦合问题时,流固耦合力的计算是通过虚拟流体域的拉格朗日网格进行计算的。然而,这样的求解方式忽略了作用在固体边界上的粘性力大小,导致计算出的固体所受流固耦合力的大小是不准确的。这种问题在固体的刚度较大,或者流体的雷诺数较小时更加明显。针对原始IS-PIM中流固耦合力计算的缺陷,本文提出了一种将粘性力基于流体欧拉网格进行计算的流固耦合力计算形式。通过对典型流固耦合数值算例进行计算,证明了本文所提出的基于粘性力修正的流固耦合力计算方法具有更高的准确性。其次,原始IS-PIM在求解流固耦合问题时存在一些浸没类方法的固有问题。首先,作为典型的浸没类方法,原始IS-PIM存在流固边界不准确问题,即流体域并不能准确捕捉到固体域的边界,进而导致计算流固耦合问题时的流固边界不准确,从而影响计算精度。另外,在对流固边界不准确问题进行修正后,还要保证修正后的算法在物理层面满足连续性的要求。最后,原始IS-PIM存在“新鲜点(fresh nodes)”问题,即流体节点从固体域内部到固体域外部过程中,会存在速度以及压力振荡情况。本文针对以上问题,分别采用虚拟点修正算法(Ghost-node technique)、质量源/沉算法(Mass source/sink algorithm)以及尖锐界面方法(Sharp-interface method)对原始IS-PIM存在的问题进行了修正。修正后的方法连同基于粘性力修正的流固耦合力计算方法统称为基于粘性力修正的虚拟点浸没光滑点插值方法(Ghost-node-ISPIM)。通过对多个流固耦合问题算例进行计算,证明了Ghost-node-ISPIM可以有效的捕捉到固体边界的作用,且结果较原始IS-PIM求解更加准确稳定。本文的最后基于Ghost-node-ISPIM对低雷诺数(Re=100)情况下的流动控制问题进行了数值模拟。具体通过研究二维圆柱尾部放置刚性或柔性分流板的情况,针对分流板对圆柱绕流中的阻力系数与升力系数控制机理进行了研究,发现了分别采用刚性板控制和柔性板控制时,分流板的最优位置是不同的,并且刚性版的控制效果整体来说要优于柔性板控制效果。
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