流固耦合理论研究述评1—流固耦合问题研究进展

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会流固耦合理论研究述评(1)一流固耦合问题研究进展苏波1袁行飞2聂国隽31钱若军1l同挤大学士术工程学院，上海200092)(2浙江大学土右工程学院，机州310027)(3同济大学航空航天与力学学院．上海200092)摘要：流固耦台(FsI)是目前很多领域研究的热点和也是难点之一。目前，国内研究对此相对滞后或比较片面。为在同一软件平台上实现多种耦合算法，本文对流固耦合理论进行了研究。内容包括FsI研究进展；流体力学基本理论和流体计算力学力学(cFD)有限元法；耦合界面条件、边界追踪、网格更新、以及大型非线性方程的求解等诸多问题；特别是对目前广

2、为关注和讨论的强耦合和弱耦合算法作了理论上的探讨和区分。本文为流固耦合理论数值模拟提供理论和方法的指导。关键词：流固耦台，强耦台，弱耦合．边界条件，^LE法一、引言在工程应用中，会遇到很多由于流体和结构相互作用引起的物理现象，例如机翼的稳定和响应、流过动脉的血液、桥梁和高耸建筑的风振响应等。流固耦合问题是目前广为关注和具有挑战性的课题之一，涉及多个领域和多方面的技术，解决这一问题需要对流固耦合理论体系作广泛和深入的研究。近二三十年来，国外很多的研究团体对流固耦合理论及流固耦台数值求解方法取得了很多的成果。最突出的是美国麻省理工学院(Mrr)教授日aus．厢rgenBatl

3、le领导开发的ADINA软件系统，其FsI求解模块可以模拟流体和涉及大变形、接触等具有明显非线性响应的结构之间完全耦合的物理现象“。1。国内起步较晚，哈工大的沈士钊、武岳等采用分区迭代算法求解流固耦合作用，对索膜结构风致动力响应进行了研究降”。但总结起来，目前国内对流固耦合理论体系及其数值模拟的研究跟国外相比差距较大，鲜有系统的研究。由同济大学钱若军教授领导的流固耦合数值模拟研究小组，目前正对流固耦合理论体系及其数值模拟作系统的研究，致力于在单一软件平台上实现强、弱耦合算法。作为阶段性的成果，本文对流固耦合理论进了系统研究和总结。主要内容包括如下几方面：第二章为概论，对本

4、文内容作了介绍，给出了流固耦合的基本概念，阐述了不同研究领域中的流固耦合现象，流固耦合问题的分类，并对流固耦台问题研究的发展和现状作了综述。第三章介绍了流体力学基本理论，包括N—s方程组及各种湍流模型。第四章阐述了计算流体力学(cFD)的主要内容和方法，重点研究了有限元法，总结了目前几种解决流体数值稳定问题的有效方法及单元技术。第五章为固体力学理论及csD。第六章研究了解决流固耦合问题的几个关键部分。包括ALE描述方法，界面追踪，网格重化，以及界面信息传递等。第七章系统研究了流固耦合算法。从耦合方程的退化形式出发，阐述了强耦合、弱耦合和单向耦合等算法。第八章介绍了非线性方

5、程组求解方法。第九章为结论，对流固耦合理论体系进行了总结。二、概论(一)流固耦合基本概念在流体(如空气、水流等)作用下，结构特别是柔性结构(如膜结构等)的响应如位移、速度和加速度等对周围流场会产生较大影响，而流场的改变会进一步改变作用在结构表面上的流体力大小，从而形工业建筑2007增刊703第七届全国现代结构T程学术研讨会成流体与结构的相互耦合作用，即流体．结构(固体)的耦合作用(FIuid．Structurcs，solldIntel部non)，英文简写为FsI，中文简称流固祸合“』。(二)土木工程领域中的流固耦合现象及其特点流围祸合现象在很多领域中都广泛存在，如航空航天

6、工程、牛物工程、目L槭工程等，近些年来在土木工程领域中得到重视。随着科学技术的日益发展以及大量现代材料、施工技术的涌现，出现许多新的结构。其中特别引入注目的是高层建筑、大跨度桥梁、近海结构等，在设计特点上，常常是非常具有柔性、阻尼小且重量轻，因而对于风的作用更加敏感。有必要发展出相应的研究手段，以便设计者能更加准确地估计风的影响。流固耦合数值模拟近些年来在桥梁、膜结构等陪多领域得到较好的应用。土木工程中的流固耦合作用有着区别于其它领域的自身的特点：1、受风作用的建筑物、桥梁都不是流线型的，不具有良好的空气动力学特性，而往往是钝头体形状，所以相关的问题还被称作钝体统流，因而

7、不可避免地伴随着分离流动、涡的脱落、涡的振荡，并由此引起结构和流体的耦台振荡。‘2、由丁结构物的尺度都很大，所以流场的雷诺数是很高的，对于建筑物、桥梁而占，雷诺数一般在105以上，所以都是湍流运动；流场是很复杂的紊流，给研究带来巨大的因难。而且风向是不定的，建筑物周围的环境也是干变万化的，要完全准确地模拟流场，无论用实验手段还是数值模拟的予段，都是非常困难的。3、现代张力结构中，如索膜结构在风的作用下，变形较大，产生很强的振动，具有很强的几何非线性。这要比其他流域中的耦合问题要复杂不少。(三)流固耦合问题的分类l、从耦合机理区