流固耦合的研究综述

2.流固耦合研究现状
气动弹性问题即为流固耦合问题，作为一门系统的理论最早出现 20
世纪 20 年代。 由于流固耦合问题的复杂性，几十年来的研究与进展速度较慢，解决 的办法也仅局限于解析法。 直到上世纪60年代，边界元与有限元等数值方法出现后，流固耦合问 题又逐渐引起人们的关注。 随后，计算机技术与数值计算方法的迅猛发展，给流固耦合的研究注 入了新的活力，使流固耦合数值方法研究得到较快的发展。
相应的固有频率和振型,并对结果进行了比较和分析。
• 王正伟等采用Newmark算法离散瞬态N一s方程和瞬态结构动力方程,进行了负 荷调节过程中混流式转轮的瞬态流固耦合计算,得出了合理的瞬时压力和应
力结果。
3.流固耦合在流体机械中的应用
流固耦合在水泵中的应用：
• Brennen早在20世纪90年代就已经认识到了离心泵中存在的流固耦合现
LOGO
象，并进行了理论的推导和实验研究。 • Benra等人分别使用双向交替耦合及单向耦合计算了无堵塞离心泵单叶 片的转子部件及其受到的水力激励，并与试验结果进行对比分析，发现 由双向交替耦合计算出来的结果与试验值更为接近。 • Guadaqni等采用流固耦合方法对一新型泵结构动力特性进行了模拟，并 通过试验测试验证了模拟结果的准确性。 • 袁启明对某一轴流泵叶轮进行了单向顺序流固耦合计算，进行了动力学 分析，求得轴流泵叶轮在流场作用下的应力和变形。
4.流固耦合研究方法
(2)有限体积法
有限体积法(Finite Volume Method，FVM)又称为控制体积法。其基本
思想是将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围 有一个控制体积；将待解的微分方程(控制方程)对每一个控制体积积分， 从而得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值。 为了求出控制体积的积分，必须假定数值在网格点之间的变化规律。 从积分区域的选取方法看来，有限体积法属于加权余量法中的子区域法； 从未知解的近似方法看来，有限体积法属于采用局部近似的离散方法. 简而言之，子区域法加离散就是有限体积法的基本方法。
3.流固耦合在流体机械中的应用
流固耦合在水轮机中的应用： 近年来,水轮机叶片动力特性研究与传统的研究方法相比在研究的深度和广 度上都取得了重要的进展。通过向数学、物理学等基础学科借鉴,与计算机技术 相结合,新的研究领域不断涌现,研究和实验手段更加现代化。 • 张立翔在水轮机叶片流固耦合振动分析的理论推导和建模方面作了大量工作。 • 谷朝红等人自行编制程序SFCVAP进行了水轮机部件流固耦合振动特性的研究。 • 梁权伟等运用全流固耦合的三维有限元方法对某水电站混流式转轮进行了模 态分析,计算了转轮在空气中的前20阶和在水介质中的前7阶振动特性,得到
LOGO
流体机械中流固耦合的 研究综述
时间：2013-01-18
1.流固耦合问题的产生
2.流固耦合研究现状
Content
3.流固耦合在流体机械中的应用
4.流固耦合研究方法
1.流固耦合问题的产生
流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，它
பைடு நூலகம்
是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者
相互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作 用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来 影响流体，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 条件下产生不同的流固耦合现象。 流固耦合问题由于这种交叉性质，在学科上设计流体力学，固体力学， 动力学，计算力学等学科的知识；从技术上与许多工程领域均有很大关系， 如土木、航空航天、船舶、动力、海洋、石化、机械、核动力、地质、生 物工程等，研究和应用领域广泛。
(1)有限元法
有限元法也叫有限单元法(Finite Element Method，FEM)，它是随着计
算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的数值求解方法。 有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计 算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内选择一些合适的节点作 为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节 点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量 法将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式便构成不同的 有限元方法。
3.流固耦合在流体机械中的应用
流固耦合在风机中的应用：
• 陈海萍等应用流固耦合方法对风力发电机进行数值模拟仿真，为进一步
的疲劳寿命、断裂分析和风机叶片的结构优化设计提供依据和参考； • 杨庆山等在索膜结构的风致振动效应、气弹动力稳定性、大跨结构风振 系数以及流固耦合作用等方面进行了研究； • 徐旭、曹志远等研究柔长结构气固耦合线性和非线性气动力问题,建立 了相应的模型； • 李林凌等研究了风机叶片气固耦合特性,并建立了风机叶片与周围空气 耦合的微分方程模型。
4.流固耦合研究方法
近年来，流固耦合问题研究发展的三个标志为：
(1)从线性流固耦合问题趋向于非线性流固耦合问题；
(2)从固体结构的位移变形及强度问题趋向于固体结构的屈曲问题； (3)从单纯的流体差分格式或者固体有限元格式趋向于混合或者兼容的流 固格式。 现在由于计算机技术以及数值计算方法的快速发展，整个求解趋向于 N-S方程和非线性结构动力学。一般使用的求解方法为迭代求解，即在流 场和结构场上分别单独求解，在每个时间步内耦合迭代，待各自收敛之后 再进一步向前推进。
2.流固耦合研究现状
流体与固体结构的耦合作用是工程实践中经常遇到的问题。
• 水轮机、汽轮机、工业风机和各种流体机械的流体弹性振动问题；
• 航空、航天飞行器的气动弹性振动问题和液体晃动问题； • 高层建筑物和工业建筑物的风致振动问题； • 地下水抽放和油气开采所引起的地表沉降的流固耦合问题； • 海洋浮式结构的水弹性振动问题等皆属这类问题。 这类问题对于工程设计具有十分重要的意义，它直接影响工程的经济 性、可靠性，有时甚至会引起整个结构破坏的严重后果，造成重大经济损 失。应用流固耦合解决这类工程问题是非常必要的。
4.流固耦合研究方法
流固耦合问题经过近几十年的发展，已经取得了一定的成果。对于流
固耦合系统的求解，比较简单的问题，可以采用解析法或半解析法，而具
有复杂边界条件的实际工程问题，很难给出其解析解。由于流固耦合系统 的复杂性，其求解主要立足于数值分析。常用的方法主要有:有限元法、 有限体积法等。
4.流固耦合研究方法