流固耦合应用研究进展
流固耦合的研究与发展综述
流固耦合的研究与发展综述流固耦合是指流体与固体之间相互作用的现象。
在许多工程领域，流固耦合现象都是非常重要的，例如在航空航天、汽车工程、能源系统和生物医学领域等。
本文将对流固耦合的研究与发展进行综述，包括其基本原理、数值模拟方法和应用领域等方面的内容。
一、流固耦合的基本原理流固耦合的基本原理是通过数学模型描述流体与固体之间的相互作用。
流体力学和固体力学是研究流体和固体运动的基本学科，它们提供了描述流固耦合现象的基本理论基础。
在流体力学中，流体的运动可以通过Navier-Stokes方程组来描述，而在固体力学中，固体的运动可以通过弹性力学或塑性力学方程来描述。
通过将这两个方程组耦合起来，可以得到描述流固耦合现象的数学模型。
二、流固耦合的数值模拟方法为了研究流固耦合现象，数值模拟方法是一种常用的手段。
常见的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法和边界元法等。
在流固耦合问题中，有限元法是最常用的数值模拟方法之一。
有限元法将流体和固体分别离散化为有限个单元，并通过求解代数方程组来得到流体和固体的运动状态。
此外，还可以使用流体-结构相互作用软件来模拟流固耦合问题，例如ANSYS、FLUENT等。
三、流固耦合的应用领域流固耦合现象在许多工程领域都具有重要的应用价值。
在航空航天工程中，流固耦合现象的研究可以帮助改善飞机的气动性能，提高飞行稳定性和安全性。
在汽车工程中，流固耦合现象的研究可以用于改善汽车的空气动力学性能，降低燃油消耗和减少排放。
在能源系统中，流固耦合现象的研究可以用于优化风力发电机的设计，提高能量转换效率。
在生物医学领域，流固耦合现象的研究可以用于模拟血液在心脏和血管中的流动，帮助诊断和治疗心血管疾病。
综上所述，流固耦合的研究与发展是一个非常重要的课题。
通过对流固耦合现象的研究，可以深入理解流体与固体之间的相互作用机制，为工程实践提供理论指导和技术支持。
未来，随着数值模拟方法的不断发展和计算能力的提高，流固耦合的研究将在更多领域得到应用和拓展。
流固耦合的研究与发展综述
流固耦合的研究与发展综述流固耦合是指液体或气体与固体之间相互作用并相互影响的物理过程。
在过去几十年里，流固耦合的研究与发展取得了令人瞩目的进展。
本综述将对流固耦合的研究背景、发展状况和前景进行综述。
首先，流固耦合的研究背景。
流固耦合的研究源于对大气和海洋中的风暴、涡旋和浪潮等自然规律的理解。
这些自然现象中，液体和气体介质与地球表面的固体结构相互作用，并产生复杂而有趣的现象。
例如，在风暴过程中，气体通过辐合进而产生强风和风暴潮，对海岸线造成严重的破坏。
了解这些流固耦合的现象对于防灾减灾和环境保护具有重要意义。
此外，流固耦合的研究还可以应用于工程领域，如航空航天、水利水电和海洋工程等。
其次，流固耦合的研究发展。
随着计算机技术和数值模拟方法的发展，研究人员能够模拟和预测流固耦合过程中的各种物理现象。
数值模拟方法包括有限元法、有限差分法和边界元法等。
这些方法能够解决流固耦合问题中的非线性、多物理场和多尺度等复杂问题。
此外，研究人员还开展了实验和理论研究，以更加全面和深入地理解流固耦合过程。
当前流固耦合的研究重点包括气液两相流动、流体力学与固体力学的相互作用、液固界面的动态行为等。
最后，流固耦合的研究前景。
随着数据采集和处理技术的不断进步，流固耦合的研究正朝着多尺度、多物理场和多学科的方向发展。
在气液两相流动中，研究人员将继续探索液滴、气泡和颗粒的动力学行为，以及它们与固体表面之间的相互作用。
在流体力学和固体力学的相互作用中，研究人员将关注固体结构如何影响流体流动和固体应力分布。
在液固界面的动态行为中，研究人员将继续研究液滴的形变和破裂机制，并探索其在材料科学和生物医学领域的应用。
总之，流固耦合的研究与发展具有广阔的应用前景。
通过深入理解流固耦合过程的物理机制，可以提供有关气候变化、自然灾害和工程设计等方面的关键信息。
这些研究也有助于推动相关学科的发展，如流体力学、固体力学和材料科学等。
随着技术的不断进步和理论的不断完善，相信流固耦合的研究将加速，为我们理解和利用自然界的复杂现象提供更多的支持和指导。
《流固耦合渗流规律研究》
《流固耦合渗流规律研究》篇一一、引言流固耦合问题作为现代科学研究中具有广泛性的领域，是多种复杂自然现象以及工程现象的基本反映。
特别地，流固耦合渗流规律的研究，对于理解流体在多孔介质中的运动、传输和变形过程具有重要意义。
本文旨在探讨流固耦合渗流规律的研究现状、方法及进展，为相关领域的研究提供参考。
二、流固耦合渗流的基本概念流固耦合渗流是指流体在多孔介质中流动时，由于流体与固体骨架的相互作用，导致固体骨架发生变形，进而影响流体流动的过程。
在这个过程中，流体与固体骨架相互依赖、相互影响，共同决定着渗流的运动规律。
三、研究现状目前，流固耦合渗流规律的研究主要集中于岩土工程、石油工程、环境工程等领域。
这些领域中的研究主要集中在多孔介质的力学性质、流体的流动特性以及流固耦合的相互作用机制等方面。
随着计算机技术的发展，数值模拟方法在流固耦合渗流规律的研究中得到了广泛应用。
四、研究方法（一）理论分析理论分析是研究流固耦合渗流规律的基础。
通过建立数学模型，描述流体在多孔介质中的流动过程以及固体骨架的变形过程，进而分析两者之间的相互作用机制。
（二）实验研究实验研究是验证理论分析的重要手段。
通过设计实验装置，模拟实际工程中的流固耦合渗流过程，观察并记录实验现象，为理论分析提供依据。
（三）数值模拟数值模拟是研究流固耦合渗流规律的重要手段。
通过建立数值模型，利用计算机技术对流体在多孔介质中的流动过程进行模拟，从而揭示流固耦合的渗流规律。
五、研究进展近年来，流固耦合渗流规律的研究取得了重要进展。
一方面，理论分析方面取得了突破性进展，建立了更加完善的数学模型，为深入研究提供了理论基础。
另一方面，实验研究和数值模拟方面的技术手段不断更新，提高了研究的准确性和可靠性。
此外，多学科交叉融合的研究方法也为流固耦合渗流规律的研究提供了新的思路和方法。
六、结论与展望通过对流固耦合渗流规律的研究，我们深入理解了流体在多孔介质中的运动、传输和变形过程。
流固耦合的研究与发展综述
流固耦合的研究与发展综述目录1.引言............................................... - 1 -2.流固耦合的分类与发展............................... - 1 -3.流固耦合的研究方法................................. - 2 -4.流固耦合计算法..................................... - 4 -5.软件应用方法....................................... - 6 -6.总结与展望........................................ - 14 - 参考文献............................................ - 15 -流固耦合的研究与发展1.引言近来，航空航天工业在世界上发展迅速，而作为“飞机心脏”的航空发动机是限制其发展的主要因素。
目前，航空发动机日益向高负荷、高效率和高可靠性的趋势发展，高负荷导致的高你压力梯度容易引起流动分离，同时随着科技的发展，航空发动机的设计使得材料越来越轻，越来越薄，这就使得发动机内部的不稳定流动对叶片的影响大大增加，成为发动机气动及结构设计要考虑的关键问题之一。
而以往单单考虑气动或结构因素不能满足实际的需求，必须将气动设计和结构设计相结合，考虑其相互作用的影响，因此流固耦合的研究应运而生。
流固耦合是流体力学与固体力学交叉而生成的一门独立的力学分支,它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场影响。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用,固体在流体动载荷作用下会产生变形或运动，而固体的变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。
流固耦合概述及应用研究进展
流固耦合概述及应用研究进展流固耦合是研究流体与固体相互作用的一种方法，它将流体动力学方程和固体力学方程相互耦合求解，能够模拟复杂的流固耦合问题。
近年来，随着计算机技术的不断发展和数值模拟方法的日益完善，流固耦合研究在多个领域取得了重要进展，并在工程实践中得到广泛应用。
目前，流固耦合的研究进展主要集中在以下几个方面：第一，研究方法的改进。
为了提高计算效率和精度，研究者提出了多种有效的流固耦合求解方法。
例如，基于体积法的耦合方法可以将流体和固体的网格耦合在一起，减少了计算量和内存需求。
此外，还有基于仿真网格重构的方法、基于界面移动技术的方法等。
这些方法在求解复杂流固耦合问题时具有较好的适用性和效率。
第二，模型的改进和扩展。
为了更好地模拟实际问题，研究者对流固耦合模型进行了改进和扩展。
例如，考虑流固界面的非线性和非均匀特性、考虑流固界面的热传导、考虑流体中的多相流等。
这些改进使得模拟结果更加准确，为实际工程问题的分析和设计提供了有力支持。
第三，应用领域的拓展。
流固耦合研究不仅适用于常见的工程领域，如航空航天、汽车工程等，还逐渐拓展到其他领域。
例如，生物力学领域中的血液流动与血管壁的相互作用、地下水与土壤的相互作用等。
这些应用领域的拓展对流固耦合方法的深入研究提出了新的挑战。
综上所述，流固耦合研究在方法、模型和应用领域等方面都取得了重要进展。
随着计算机技术的不断发展和数值模拟方法的不断完善，流固耦合研究将进一步深入，为实际工程问题的解决提供更加准确和可靠的方法和模型。
流固耦合问题及研究进展
第5卷 第1期1999年3月地质力学学报JOU RNAL O F GEOM ECHAN I CS V o l .5 N o.1M ar.1999 文章编号:100626616(1999)0120017226收稿日期:1998205212基金项目:油气藏地质与开发工程国家重点实验室开放研究基金项目(PLN 9702)作者简介:董平川(19672),男,1998年在东北大学获博士学位,讲师。
现为石油大学油气开发工程在站博士后,从事储集层流固耦合理论、有限元数值模拟及其应用研究。
流固耦合问题及研究进展董平川1,徐小荷2,何顺利11石油大学,北京 昌平 102200;2东北大学,辽宁 沈阳 1100061摘 要:传统的渗流理论一般假设流体流动的多孔介质骨架是完全刚性的,即在孔隙流体压力变化过程中,固体骨架不产生任何弹性或塑性变形,这时可将渗流作为非耦合问题来研究。
这种简化虽然可以得到问题的近似解,但存在许多缺陷,而且也不切合生产实际。
比如:在油田开采过程中,孔隙流体压力会逐渐降低,将导致储层内有效应力的变化,使储层产生变形。
近年来,流固耦合问题越来越受到人们的重视,这方面的研究涉及许多领域。
该文介绍了有关工程涉及到的流固耦合问题,重点针对油、气开采问题,介绍了储层流固耦合渗流的特点及研究方法和理论进展,包括单相、多相流体渗流的流固耦合数学模型及有限元数值模型。
关键词:流2固耦合;理论模型;研究进展;工程应用分类号:T E 312 文献标识码:A0 引 言天然岩石不只固相介质一种,尚有固相、液相和气相并存的多孔介质组合。
岩石孔隙中的流体流动问题,经典渗流力学已进行了广泛研究,但它没有考虑流体流动和岩石变形之间的相互作用,而在油气开采、地下水抽放等过程中,由于孔隙流体压力的变化,一方面要引起岩石骨架应力变化,由此导致岩石特性变化;另一方面,这些变化又反过来影响孔隙流体的流动和压力的分布。
因此,在许多情况下必须考虑流体,包括液体(油或水)、气体(天然气、煤矿瓦斯等)在多孔介质中的流动规律及其对岩体本身的变形或强度造成的影响,即应考虑岩体内应力场与渗流场之间的相互耦合作用。
流固耦合的研究综述
流固耦合的研究综述流固耦合是指流体和固体之间相互作用的现象。
在许多自然界和工程应用中，流体和固体之间的相互作用起着重要的作用。
例如，在大气中，风与树木之间的相互作用会导致树枝的摆动；在海洋中，海浪与海岸线的相互作用会引起沙滩的冲刷。
在工程应用中，流固耦合现象也十分常见，如飞机在飞行时的气动弹性效应、管道中的液固两相流动等。
流固耦合现象的研究对于深入理解自然界中的复杂问题和提高工程应用的性能至关重要。
本文将综述流固耦合的研究现状和相关领域的进展，并重点介绍流固耦合模型的建立和求解方法。
在流固耦合的研究中，模型的建立是一个关键的环节。
根据问题的实际情况和研究目标，可以采用不同的数学模型来描述流体和固体之间的相互作用。
常用的模型包括神经网络模型、有限元模型和计算流体动力学模型等。
这些模型能够准确地描述流体和固体之间的动力学关系和力学行为，并提供对流固耦合现象的定量分析。
在流固耦合模型的求解中，常用的方法包括数值模拟和实验测试。
数值模拟方法主要是利用计算机模拟流体和固体之间的相互作用过程。
常见的数值模拟方法包括流体动力学模拟、结构动力学模拟和流固耦合模拟等。
通过数值模拟，研究人员可以获得流体和固体之间的详细信息，如压力分布、速度场和应力分布等。
实验测试方法主要是通过实验设备来模拟流体和固体之间的相互作用过程，并进行测试和观测。
实验测试可以提供直观的物理现象和定量的实验数据，对于验证数值模拟结果和模型的有效性具有重要意义。
在流固耦合的研究中，还存在许多待解决的问题和挑战。
首先，流固耦合现象的模型和方法需要进一步发展和改进，以更好地符合实际问题的要求。
其次，流固耦合模型的求解方法需要更加高效和准确，以提高计算速度和求解精度。
此外，流固耦合的研究还需要考虑多尺度效应和非线性效应等复杂问题，进一步提高模型的适用范围和研究的深度。
综上所述，流固耦合作为一个重要的研究领域，对于理解自然界和工程应用中的复杂问题具有重要的意义。
流固耦合概述及应用研究进展
流固耦合概述及应用研究进展流固耦合是指涉及流体和固体相互作用及其相互影响的一种物理过程。
在流体中存在的固体物体会受到流动力的影响，而流体的流动又会受到固体物体的阻碍或改变。
流固耦合研究的目的是探索流体与固体耦合过程中的物理现象和机理，并为相关领域的应用提供理论和实践基础。
流固耦合是多学科、多领域交叉研究的产物，涉及机械工程、流体力学、材料科学、土木工程等众多领域。
流固耦合现象广泛存在于自然界和工程中，例如空气和飞机翼之间的相互作用、水流与水坝之间的相互影响、海洋中风浪作用于海洋工程结构等。
对于这些情况，了解流体对固体的作用以及固体对流体的影响有助于提高工程设计的可靠性和安全性。
近年来，流固耦合研究在理论研究和应用方面取得了一些进展。
在理论上，流固耦合模型主要基于数值计算和实验数据，通过建立相关方程和模拟方法来描述流体和固体相互作用。
这些模型主要包括弹性体与流体相互作用、固体与不可压缩流体相互作用、固体与可压缩流体相互作用等。
通过这些模型，可以预测固体的受力和变形情况，并进一步优化设计。
在应用方面，流固耦合的研究涉及了很多领域。
在航空航天工程中，例如在飞机机翼设计中，需要考虑空气流动对机翼的影响，同时也需要考虑机翼的形状对气流的影响。
在海洋工程中，例如在海上钻井平台的设计中，需要考虑海浪对平台的冲击，同时也需要考虑平台的形状对海浪的影响。
在建筑工程中，例如在高层建筑的结构设计中，需要考虑气流对建筑的荷载、风力对建筑的影响。
流固耦合研究的进展带来了许多创新应用，提高了工程设计的精度和可靠性。
例如，在汽车和飞机设计中，通过对流体力学和结构力学的耦合分析，可以更好地优化车身结构和机翼形状，减小风阻和气动噪声，提高车辆的性能和燃油效率。
在海洋工程中，通过对水流和结构的耦合分析，可以更好地预测海浪对海洋结构的冲击，从而减小结构的破坏风险。
虽然流固耦合研究取得了一些进展，但仍存在一些待解决的问题。
首先，流固耦合模型的建立和计算方法的选择仍然具有一定的局限性，需要进一步完善和发展。
流体力学中的多尺度流固耦合模拟与建模
流体力学中的多尺度流固耦合模拟与建模流体力学是研究流体运动规律的学科，而多尺度流固耦合模拟与建模是在流体力学中应用的一种方法。
它可以分析和预测不同尺度下流体与固体的相互作用以及其对整个系统行为的影响。
本文将介绍多尺度流固耦合模拟与建模的基本概念、应用范围以及相关研究进展。
一、基本概念多尺度流固耦合模拟与建模是指将不同尺度的物理过程和现象统一起来，通过数值模拟和数学建模的方法进行分析。
在流体力学中，多尺度流固耦合模拟与建模主要关注流体与固体的相互作用，通过考虑流体流动和固体结构之间的相互关系，研究其共同影响下的流体力学行为。
二、应用范围多尺度流固耦合模拟与建模在许多领域都有广泛的应用。
在航空航天工程中，多尺度模拟可以用于研究飞机在不同高度和速度下的气动特性，优化机翼设计以提高飞行性能。
在生物医学工程领域，多尺度模拟可以用于研究血液在微血管中的流动行为，评估药物的输送效果，以及研发人工心脏等器官。
三、研究进展近年来，多尺度流固耦合模拟与建模技术得到了长足的发展。
一方面，随着计算机处理能力的不断提高，模拟模型可以涵盖更大的尺度范围，更加精确地描述流体和固体的行为。
另一方面，研究人员提出了许多创新的算法和数学模型，用于解决多尺度流固耦合问题。
在数值模拟方面，一种常用的方法是将整个模拟过程分为多个尺度的子问题，并使用不同的算法和模型进行求解。
例如，在微观尺度上，可以使用分子动力学方法模拟流体和固体颗粒之间的相互作用；而在宏观尺度上，可以使用有限元法或者有限体积法模拟流体和固体的整体行为。
在数学建模方面，研究人员致力于发展能够准确描述不同尺度物理过程的方程和模型。
例如，针对微观尺度的问题，人们引入了基于粒子的模型，如格子玻尔兹曼方法，用于模拟流体的微观行为；而对于宏观尺度的问题，可以使用流体连续介质力学方程，如纳维-斯托克斯方程，描述流体的宏观流动行为。
总结起来，多尺度流固耦合模拟与建模在流体力学领域具有重要的应用前景。
流固耦合的研究综述
流固耦合的研究综述流固耦合是指流体和固体之间相互作用的现象。
近年来，随着流体力学和固体力学的深入研究和实践应用，流固耦合问题变得越来越重要。
本文将对流固耦合的研究进行综述，重点介绍其在不同领域的应用和前沿进展。
其次，流固耦合在能源领域中也有重要的应用。
例如，在风力发电中，风对风轮的作用会引起结构的振动和变形，进而影响发电机的性能。
通过研究流固耦合问题，可以优化风轮的设计，提高风力发电的效率和可靠性。
类似地，流固耦合问题在水力发电和核能工程等领域也有重要的应用。
通过研究流固耦合问题，可以有效地改进发电设备的设计和运行。
再次，流固耦合在生物医学领域中也有广泛的研究应用。
例如，在血液循环中，血液对血管壁的作用会引起血管的变形和应力分布变化。
研究流固耦合问题可以帮助理解血液循环的机制，进而改善人体健康。
此外，流固耦合问题也在人工心脏瓣膜和人工关节等医疗器械的设计和优化中发挥着重要作用。
通过研究流固耦合问题，可以提高医疗器械的性能和寿命，改善患者的生活质量。
最后，流固耦合在大气和海洋科学中也有广泛的研究应用。
例如，在气候变化研究中，海洋的流动对全球气候有着重要的影响。
通过流固耦合的分析和模拟，可以更好地理解海洋流动对气候变化的影响，提高气候模型的准确性。
此外，流固耦合问题还在海洋工程和海洋资源开发中起着重要作用。
通过研究流固耦合问题，可以更好地利用海洋资源，保护海洋环境。
总结起来，流固耦合问题在各个领域都有重要的研究应用。
通过研究流固耦合问题，可以改善结构和设备的性能，提高能源利用效率，改善人体健康，深入了解地球和海洋的变化。
未来，流固耦合问题还将继续引起研究者的关注，为解决实际问题和推动学科发展做出更大的贡献。
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文章编号:1671-3559(2004)02-0123-04收稿日期:2003-12-03基金项目:山东省科学技术发展计划资助项目(012050107);山东省自然科学基金资助项目(Y 2002F19)作者简介:郭术义(1971-),男,山东济南人,山东大学机械工程学院博士研究生。
流固耦合应用研究进展郭术义,陈举华(山东大学机械工程学院,山东济南250061)摘 要:流固耦合力学是一门新兴学科。
本文简要介绍了该学科的典型应用进展情况,总结了各种研究中的典型方程、数值解法,展望了进一步发展的趋势。
关键词:流固耦合;数值模拟;展望中图分类号:O35112;O34717文献标识码:A流固耦合力学是一门比较新的力学边缘分支,是流体力学与固体力学二者相互交叉而生成的。
它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场的影响。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用:固体在流体动载荷作用下产生变形或运动,而固体的变形或运动又反过来影响到流场,从而改变流体载荷的分布和大小。
总体上,流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。
本文就流固耦合问题的两大分类中三种基本情况进行了讨论。
1 流固耦合典型应用流固耦合作用的研究在航空、航天、水利、建筑、石油、化工、海洋以及生物领域都有着十分重要的意义。
如液体晃动对火箭飞行稳定性的影响,大型贮液管在地震激励作用下产生的流固耦合作用,液体湍振对输液管道的影响。
本文就如下三个大方面进行了总结。
1.1 输流管道流固耦合流体引起输流管道振动的研究最初来源于横跨阿拉伯输油管道振动的分析[1]。
管道在众多的工业领域中应用十分广泛,作用极其重要。
但是,在管道内流体流动状态的微弱变化往往引起在工作过程中的湍振现象,诱发流体、管道之间的耦合振动,动力学行为相当复杂。
这使得人们很早就开始了这方面的研究,Paidoussis M P [2]是其中最具有代表性的。
输流管道的振动问题之所以能引起学者的兴趣,除因为该问题的广泛工业背景和现实意义之外,还因为输流管道虽然是最简单的流固耦合系统,但它却涉及了流固耦合的大多数问题,并且它的物理模型简单,系统比较容易实现,因而便于理论与试验的相互协同。
考虑因素侧重面的不同,输液管道非线性运动方程有几种类型[3-5],它们之间有一定的差别。
它们的基本假设都是:流体无粘且不可压;管道作为梁模型来处理;管道只是在平面内振动。
尽管输流管道的非线性动力问题受到50多年极为广泛的研究,但至今尚没有一个公认的模型。
文[6]建立的4个独立变量(轴向位移、横向位移、流速和压力)的全耦合模型(耦合形式包含摩擦耦合、P oiss on 耦合、结合部耦合以及管道轴向和横向运动的耦合)在众多的非线性分析模型中是一个较为完整的模型。
m ¨u +m f [ υf (1+u ′)+2υf u ′+υ2f u ″+ ωυ′f ]+ P (υf +u )/c 2F -[(1-2υ)P (1+u ′)]′+4f ρf ρ′・υ2f /DK -gm f(1-2υ)(1+u ′)ω′-EI (7ω″ω +ω′ω )-E A p (2u ″+6u ′u ″+2ω′ω″)/2=0(1)m ¨ω+m f [ υf (1+ω′)+2υf ω′+υ2f u ″+ω″υ2f ]+ P (υf +ω)/c 2F -[(1-2υ)P ω′]′-gm +EI ω″″-EI (u ′ω′+6u ″ω +4u ′ω ′)-E A p (u ″ω′+u ′ω″)=0(2) P /c 2F +m f [(1-2υ)( u +υf )u ″- u ′+υ′f ]-m f (1-2υ)( u ′+u ′ u ′+ω′ ω′)=0(3)P ′+m f (¨u + υf )+m f ¨ωω′+gm f ω′+Df ρf υ2f /2=0(4)随着对输流管道问题研究的深入,各种不同的分析计算方法也相继被提出。
其中有限元法(FE M )第18卷第2期2004年6月济南大学学报(自然科学版)JOURNA L OF J I NAN UNI VERSITY (Sci.&T ech 1)V ol.18 N o.2Jun.2004是应用最为广泛的一种数值方法。
文[7]用FE M法求得了载流在流速超过临界流速之后的振幅、主频率和振形,所得结果和试验结果吻合较好。
传递矩阵法(T M M)在振动工程中一直是一种行之有效的方法。
与FE M相比,其传递矩阵维数不随单元的增加而增加,恒保持为7维,这正是它的优越性所在。
最早用于研究桥梁与车辆之间相互作用的结构阻尼法也被采用于解决输流管道的动态响应问题。
矩阵摄动法可以用于求解输流管道系统动态方程度特征值问题。
该方法仅对基本解进行修正而不需要重新求解,可以大大地节省计算时间,不需要重新编制软件,可以利用现有的有限元程序计算基本解,从而可以提高计算效率。
混沌问题一直被认为强非线性运动所具有的一种力学现象,一般认为输流管道的运动是弱非线性的,因此对混沌的研究比较少。
文[8]是研究输流管道混沌现象比较早的,他们采用的分析模型是在管自由端的左、右两侧放置两块永久磁铁,以便施加一种强非线性的磁力。
计算和实验都表明:当作用的磁力使输液管产生屈曲(弯曲状态)后,加大流速使其超过颤振对应的临界值时,混沌摆动就会发生。
研究趋势:(1)针对输流管道系统运动方程的特殊性以及工业管路复杂性的实际问题,需要提出行之有效的计算方法和简化方法;建立模型求解以达到理论指导实践和验证结果真实性的目的;(2)外激励作用下管道的非线性瞬态响应,以及两者共同作用下引起输液管分叉的特性以及什么样形式的外激励容易诱发分叉和混沌现象,目前所知甚少,是今后发展研究的难点。
1.2 含液容器的流固耦合问题1964年,美国Alaska地震引起众多石化容器在地震载荷下惨遭破坏,使国民经济受到极大损失。
由于化工工业在现代工业中的地位,促使部分科技工作者对含液容器进行研究。
早期的许多俄罗斯专家在这一问题上作出了开创性研究。
文[9][10]中,详述了含液容器震荡问题的有关基本理论。
由于计算工具的落后,当时的研究主要局限在刚性不动容器或作简单运动刚体中液体的震荡。
对含液容器的动力特性进行分析,是为了了解容器内流体的晃动特性以及流体对容器固有特性的影响,以便为进一步研究含液容器的动力响应和动力稳定性奠定基础。
当前国际上在有关含液容器的动力特性研究方面,研究手段多以实验为主,计算则多采用现有的一些通用有限元软件进行,但这些软件通常都是用于结构分析的,在流固耦合分析方面,尤其是当流体具有较大自由表面,且考虑可压缩性时,就很难用这些通用软件进行精确的分析。
由于流固耦合系统的复杂性,其求解主要立足于数值分析。
起初人们自然想到的是用位移法结构分析的通用程序来求解耦合问题,不同的是只要将流体视为剪切刚度为零的固体即可。
但实际计算发现,剪切刚度为零,计算中出现零能模式,方法无法推广应用。
至于流体中采用压力、固体中采用位移的混合模式没有零能模态的困难,但其有限元方程中的系数矩阵是非对称的。
经典的流体中采用压力、固体中采用位移的流固耦合有限元方程[11]:M S-Q TM f¨a¨p+K S1ρfQ0K fap=F S(5)式中,p为流体节点压力向量,a为结构节点位移向量,Q为流固耦合矩阵,M f和K f分别为流体质量阵和刚度阵,M s和K s分别为结构质量阵和刚度阵,F S 为结构载荷向量,ρf为流体密度。
文[12]对上述方程进行对称化处理,得到:M S EE T M f¨a¨p+K S00 K fap=(6)引入的旋转周期性分析方法,可大大缩短计算规模和计算时间,符合含义同(5)式。
含液容器流固耦合问题经过近几十年的发展,已经建立了几种行之有效的数值方法。
Amsden在20世纪60年代发展起来的M AC[13](marker-and-cell)方法即标记子与单元方法,该方法具有不同寻常的灵活性,但计算存储量大,很难推广到三维问题的计算。
VOF[14](v olume of fluid)方法改进了M AC 方法的存储量大以及计算量大的缺点,特别适于三维计算,是发展较为成熟的方法。
但VOF方法的每一时间步都需要计算流体体积函数F的值,其重复计算量也比较大。
M AC方法和VOF方法实际上都应用了有限差分法,在处理不规则边界时存在某些缺陷。
FE M法的最大优点是比较容易处理各种复杂的几何形状和边界条件,具有丰富的数学结构,可以达到非常高的计算精度。
但它也存在一些困难,如计算对流算子的非对称性。
边界元[15](BE M)方法是在综合FE M和经典的边界积分方程基础上发展起来的,它的最大优点是可将求解空间降一维。
在上世纪五、六十年代宇航工程的发展过程中,液体运载器推进剂的晃动问题变得十分突出。
这是因为液体晃动所产生的低频横振导致火箭飞行的不421 济南大学学报(自然科学版) 第18卷稳定性。
因此对液体晃动特性的研究一直是宇航中一个极为重要的课题[16]。
为保障火箭飞行的稳定性,必须对液体的晃动加以抑制。
采用的防晃措施最主要和最有效的手段是使用液体晃动阻尼器,常见液体晃动阻尼器是防晃板防晃。
自20世纪60年代至今我国一直在对半圆形挡板的防晃特性进行多方面的试验研究和分析工作,获得了许多成果[17-18]。
研究趋势:(1)含液容器的大幅晃动的数值模拟方法研究;(2)有限元并行计算技术研究;(3)非线性耦合系统的稳定性、分岔、混沌等问题的研究;(4)防晃板防晃特性的研究。
1.3 地下储层流固耦合问题地下储层是固体、液体和气体的多孔介质组合。
经典渗流力学已对固体孔隙中的流体流动问题进行了深入的研究,但它并没有涉及到流—固耦合问题,而在油气开采、地下水抽放等过程中,由于多孔介质流体压力的变化,一方面要引起固体特性的变化;另一方面,这些变化又反过来影响多孔介质中流体的流动和压力的分布。
因此,在许多情况下必须考虑流体,包括液体(油或水)、气体(天然气、煤矿瓦斯等)与多孔介质的相互作用力的问题,即应考虑多孔介质应力场与多孔介质中渗流场之间的相互耦合作用。
文[19]是最早研究地下储层流体—固体耦合问题。
它将可变形、饱和的多孔介质中流体的流动作为流动—变形的耦合问题来看待,建立了一维固结模型,获得了广泛应用。
文[20]则进一步研究了三向变形材料与孔隙压力的相互作用,并在一些假设条件的基础上,建立了比较完善的三维固结理论。