非线性流固耦合问题数值模拟方法的研究论文

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1、NUMERlCALSIMULATl0NMETHODRESEARCHOFTHENONLINEARFLUlD—SOLIDINTERACTIoNPRoBLEMSYANGLINUndertheSupervisionofProf．LIHUAJUNADissertationPresentedtotheAcademicDegreeCommitteeofOceanUniversityofChinaInCandidacyforTHEDOCTORALDEGREEinHarbor，CoastalandOffshoreEngineeringOceanUniv

2、ersityofChinaDecember2011r—’’——’—‘—‘————一’’——‘一非线性流固耦合问题的数值模拟方法研究学位论文完成Et期指导教师签字答辩委员会成员签字雾萎拯●：，-、●。’‘^·t-，j?一e’i。、-■叫‘0吒、．’独创声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导F进行的研宄T作及取得的研宄成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，电不包含求获得!洼；{l旦趱虿基盟盏墨挂型岜盟鲍：奎拦互室2或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对

3、本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：桶躲签剌期：训年m／#口学位论文版权使用授权书本一#位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意Ll下事项：l、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被商阅和借阅。2、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索．可以来辟{影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权消华大学“巾国学术期刊(光盘版)电子杂志社”用于出版和编八CNKI《中国知识资源总库》，授权-1I困科学技术信息研宄所将本学位论文收

4、录到《中国学位论文全文数据库》。(保密f『J学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名桶拣煮篮导师签字：q‘签字日蜩：扫J】年』z月憎El签字H期：7口f件，月衫n务。丫l非线性流固耦合问题的数值模拟方法研究摘要流固耦台问题是流体力学研究中的重要问韪之，它是由流体力学和固体力学交叉形成的力学分支。在流场中流体的作用下，流场中的结构物会发生变形和位移．这种变形和位移反过来叉对流体产生影响．从而使流体和结构物形成一个相互联系、相互作用的复杂系统。流固耦台问题存在于许多工程领域，如飞行器、建筑桥梁抗风、船舶与海洋工程等。特别是在海洋工程

5、领域，对于流同耦合问题的分析占有重要地位。如承受海浪、海流作用的海洋平台、深水立管．在其设计过程中不可避免的要进行流固耦台分析，特别是立管的涡激振动，是一种典型的具有强烈非线性的复杂的流固耦合问题，也是导致立管疲劳损伤，降低其使用寿命的重要因素。因此，对非线性流固耦合问题进行研宄具有重要的科学意义。非线性流吲耦合问题的处理一赢是流体力学的难点．目前采用的分析方法均需基于同格信息，如有限元法，这餐方法在处理非线性问题．尤其是如深水立管、锚缆等非线性大变形结构物的流固耦台

6、叶，会发生严重的单元畸变，导致计算精度的降低甚至无法收敛。臣动啊格

7、的训算需耗费棚当的计算量。无单元法其有不依赖于单元刚格信息的特点。但目前其研究主要集中于固体力学领域，在流体力学方l斯的研宄j丕比较少，n周内外尚来见EFM应用于如'41V等非线性流同耦台分析的报道。针对l进坷题，本文Ll立管涡激振动为例，将无单元法引入流固耦台分{=l亍中，尝试探讨一种小需依赖州格信息的非线陛流同耦台数值模拟新方法．井取得了一些阶段性成果。为此类问题的分析il算提供，理论依槲和技术支持。术文主璎内容州以概括如I-：1、综述丁围内外在流固耦合分析割l域和深水立管领域的研宄现状，阐述了涡激振动的基本理

8、仑，蓐蟹控制参数，

9、M流一}，泻涡脱落的机理、重要现象与特征等，对涡激振动虫验和数值槿拟的主要玎法进行r介绍：非线性m月稍音日Ⅱ帕数值模拟*＆ⅢR2，系统介绍了无单元法的特点和分析流程，埘比了其与传统有限元法的区别，分析了其优缺点；阐述了无单元法的分类、节点支持域理论、基于插值法和移动最小二乘法的形函数的构造方法以及权函数的选择、系统控制方程的无单元法离散化、本质边界条件的处理以及无单元法的数值积分方法等理论；3、给出了联合运用无单元伽辽金法和三阶分步有限元法的非线性流固耦台分析方法，计算采用速度和压力分离模式，在时间和空间上分别对二维粘性不可压缩流场的

10、控制方程进行离散，给出了适用于二维流场分析的EFM自动布点算法。井以固定圆柱体VIV为例．采用两种不同布点方式对二维固定圆柱体的VIV参数进行了分析计算。4、给出了振动圆柱体边界周围节点移动的算法和采用“虚拟控制单元”的