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ADINA 体与流固耦
合高级应用
流
目录
第一部分
第一章 计算流体力学概述…………………………………………………………………… 1
1.1 计算流体力学概述………………………………………………………………… 1
1.2 基本概念…………………………………………………………………………… 2
1.3 流体力学方程组…………………………………………………………………… 5
第二章 偏微分方程的数值解法……………………………………………………………… 10
2.1 有限差分方法……………………………………………………………………… 10
2.2 有限体积法………………………………………………………………………… 10
2.3 有限元法…………………………………………………………………………… 12
2.4 FCBI 和 FCBI-C…………………………………………………………………… 17
2.5 对时间项的积分…………………………………………………………………… 18
2.6 自动时间步长……………………………………………………………………… 18
2.7 Courant 数…………………………………………………………………………… 19
第三章 初始条件和边界条件………………………………………………………………… 20
3.1 初始条件…………………………………………………………………………… 20
3.2 边界条件…………………………………………………………………………… 20
3.3 高速可压缩流体的边界条件……………………………………………………… 44
第四章 材料…………………………………………………………………………………… 57
4.1 流体模型的分类…………………………………………………………………… 57
4.2 湍流模型…………………………………………………………………………… 59
4.3 ADINA-F 的材料表………………………………………………………………… 65
第五章 单元…………………………………………………………………………………… 74
5.1 边界线单元………………………………………………………………………… 74
5.2 二维三角单元(3-节点)………………………………………………………… 74
5.3 二维四边形单元(9-节点)………………………………………………………… 74
5.4 二维三角单元(6-节点)…………………………………………………………… 75
5.5 三维四面体单元(4-节点)………………………………………………………… 75
5.6 三维六面体(砖块)单元(27-节点)………………………………………………
76
5.7 二维 FCBI 单元(4 或 3-节点)……………………………………………………… 76
5.8 三维 FCBI 单元(8、4、6 或 5-节点)……………………………………………… 77
5.9 FCBI-C 单元……………………………………………………………………… 81
5.10 求解器…………………………………………………………………………… 82
5.11 流体单元的划分技术…………………………………………………………… 83
5.12 FCBI-C 单元、FCBI 单元与非 FCBI 单元的选择……………………………… 85
第六章 流固耦合…………………………………………………………………………… 87
6.1 理论……………………………………………………………………………… 88
6.2 迭代法求解双向耦合(迭代耦合)………………………………………………… 94
6.3 直接计算双向耦合(直接耦合)…………………………………………………… 95
6.4 直接计算法求解单向耦合………………………………………………………… 96
6.5 间接方法计算单向耦合…………………………………………………………… 96
6.6 流固耦合界面上的单元…………………………………………………………… 97
6.7 模型的准备和测试………………………………………………………………… 102
6.8 常见错误信息………………………………………………………………… 105
第七章 特殊类型的例题………………………………………………………………… 111
7.1 VOF 方法………………………………………………………………………… 111
7.2 质量传递………………………………………………………………………… 114
7.3 热量传递问题…………………………………………………………………… 117
第八章 势流体……………………………………………………………………………… 121
第二部分
附录-例题
例 1 分别考虑两个平行板间的牛顿流体和非牛顿流体………………………………… 1
例 2 用滑移网格法对简化的涡轮做 FSI 分析…………………………………………… 11
例 3 GAP 边界条件……………………………………………………………………… 27
例 4 自适应网格重划分(adaptive mesh)……………………………………………… 47
例 5 参数化动网格………………………………………………………………………… 63
例 6 自由液面问题………………………………………………………………………… 70
例 7 蒸汽-空气热交换器问题……………………………………………………………… 78
例 8 高速可压缩流体……………………………………………………………………… 80
例 9 经过后台阶的层流…………………………………………………………………… 96
例 10 经过后台阶的湍流…………………………………………………………………… 108
例 11 方腔驱动问题………………………………………………………………………… 113
例 12 对立方体的一个面使用边界层,与其他未使用边界层的面比较………………… 126
例 13 对圆柱形物体的中间薄层使用狭窄处分层技术,比较使用这种技术前后网格的差异
……………………………………………………………………………………… 128
例 14 流体流过渠道中的一个塔状结构…………………………………………………… 130
例 15 用 VOF 法分析溃坝………………………………………………………………… 143
例 16 管道内的流体流动和质量传递…………………………………………………… 150
例 17 用 Thermal-FSI 分析受热的半球形穹顶………………………………………… 158
例 18 利用 FSI 分析声波振动…………………………………………………………… 167
第一章 计算流体力学概述
第一章 计算流体力学概述
1.1 计算流体力学概述
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称 CFD)是以计算机作为模拟手段,
运用一定的计算技术寻求流体力学各种复杂问题的离散化数值解的计算方法。
计算流体力学可以看作是对基本守恒方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方
程)控制下的流动过程进行数值模拟。通过这种数值模拟,可以得到极其复杂问题的流场内
的各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)分布,以及这些物理量随时间
的变化情况。
计算流体力学、理论流体力学、实验流体力学是流体力学研究工作的三种主要手段。理
论分析具有普遍性,各种影响因素清晰可见、为实验和计算研究提供依据。对于非线性情况,
只有少数问题能给出解析解。实验研究仍是研究工作的基石,数值研究的许多方面都密切依
赖于实验研究提供数据;计算结果需由实验验证;观察实验现象分析实验数据以建立计算模
型等等。数值模拟是特殊意义下的实验,也称数值实验,它比起实验研究,经济效益极为显
著。三种手段既互相独立又相辅相成。
近年来,由于实际工程设计对于流体计算提出越来越高的要求,计算流体力学在明显
地突破传统的单纯流体的观念,各种涉及到复杂物理现象的流体问题求解方法是计算流体力
学发展的主要趋势,这些复杂现象是涉及热传递、多物质流动、相变、流固耦合体系求解、
变边界(变流动区域)、湍流模拟等等。
从工程角度看,流体力学研究的起因通常是基于对各种工程结构的设计需要,例如分
析飞机机翼在气流作用下随机摆动问题的目的,是要求流场计算结果要对机翼的非稳态振
动、强度特性提出明确的力学设计指标。因此可以说,对于相当多的流体计算问题,实际上
我们需要知道的是一个耦合力学系统的响应特性-流固耦合体系特性,尽管这是一个更为复
杂的计算体系。流固耦合(Fluid-Structure Interaction,简称 FSI)计算方法的开发和应用是
目前工程计算流体力学发展的重点领域,也是计算流体力学指导工程设计的直接途径。
计算流体力学的发展和计算机硬件求解能力、工程设计需求高速增长密切相关,可以
肯定地说计算流体力学在未来的研究领域和工程领域,都会越来越走向实用化,越来越发挥
不可或缺的作用。
1
第一章 计算流体力学概述
1.2 基本概念
流体是气体和液体的总称。在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体,大气
和水是最常见的两种流体。
1.2.1 理想流体和粘性流体
流体在静止时虽不能承受切向力,但在运动时,任意相邻两层流体之间却是有相互抵抗
作用力的,这种相互抵抗的作用力称为剪切力,流体所具有的这种抵抗两层流体相对滑动速
度的性质称为流体的粘性。粘性是流体的固有属性之一,不论流体处于静止还是流动,都具
有粘性。它是流体状态(压力、温度、组成)的函数。气体的粘性随温度的升高而增大,液
体的粘性随温度的升高而减小。
自然界中存在的流体都具有粘性,具有粘性的流体统称为粘性流体。完全没有粘性的流
体称为理想流体。自然界中并不存在真正的理想流体,它只是为便于处理某些流动问题所做
的假设而已。
1.2.2 牛顿流体和非牛顿流体
牛顿内摩擦定律:
0
lim
n
uu
nn
其中
表示流体内摩擦应力, n
为法线方向的距离增量; u
为对应于 的流体速度
增量。
n
牛顿内摩擦定律表示流体内摩擦应力和单位距离上的两层流体间的相对速度成正比。比
例系数
称为流体的动力粘度,简称粘度。
牛顿流体:是指
为常数的流体,即遵循牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。
非牛顿流体:不符合上述条件的均称为非牛顿流体。
所有气体和大多数低分子量液体均属牛顿型流体,如水、空气等;而某些高分子溶液、
油漆、血液等则属于非牛顿流体。
下面用一个简单的例子来说明牛顿流体和非牛顿流体的差别。ADINA 的操作步骤参见
第二部分。
2
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