流固耦合的研究综述

1、LOGO时间时间：2013-01-18流体机械中流固耦合的流体机械中流固耦合的研究综述研究综述Content1.流固耦合问题的产生流固耦合问题的产生2.流固耦合研究现状流固耦合研究现状3.流固耦合在流体机械中的应用流固耦合在流体机械中的应用4.流固耦合研究方法流固耦合研究方法1.流固耦合问题的产生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

2、重要特征是两相介质之间的相互作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。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，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

3、，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。物工程等，研究和应用领域广泛。2.流固耦合研究现状流固耦合研究现状 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 20 世纪世纪 20 20 年代年代。 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。的

4、办法也仅局限于解析法。 直到上世纪直到上世纪6060年代，边界元与有限元等数值方法出现后，流固耦合问年代，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。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入了新的活力，使流固耦合数值方法研究得到较快的发展。2.流固耦合研究现状流固耦合研究现状流体流体与固体结构的耦合作用是工程实践中经常遇到的与固体结构的耦合作用是工程实践中经常遇到的问题。问题。水轮机水轮机、汽轮机、工业风机和各种流体

5、机械的、汽轮机、工业风机和各种流体机械的流体弹性振动流体弹性振动问题问题；航空航空、航天飞行器的、航天飞行器的气动弹性振动问题气动弹性振动问题和和液体晃动液体晃动问题问题；高层建筑高层建筑物和物和工业建筑物工业建筑物的的风致振动风致振动问题问题；地下水地下水抽放和油气开采所引起的抽放和油气开采所引起的地表沉降地表沉降的流固耦合问题的流固耦合问题；海洋海洋浮式结构的浮式结构的水弹性振动问题水弹性振动问题等皆属这类问题等皆属这类问题。 这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

6、后果，造成重大经济损性、可靠性，有时甚至会引起整个结构破坏的严重后果，造成重大经济损失失。应用流固耦合解决这类工程问题是非常必要的。应用流固耦合解决这类工程问题是非常必要的。3.流固耦合在流体机械中的应用流固耦合在流体机械中的应用流固耦合流固耦合在水轮机中的应用：在水轮机中的应用： 近年来近年来, ,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度上都取得取得了重要的了重要的进展。通过进展。通过向向数学、物理学数学、物理学等基础学科借鉴等基础学科借鉴, ,与计算机技术与计算机技术相结合相结合, ,新的新的研究领域研究领

7、域不断涌现不断涌现, ,研究和实验手段更加研究和实验手段更加现代化现代化。张立翔在水轮机叶片张立翔在水轮机叶片流固耦合振动分析流固耦合振动分析的理论推导和建模方面作了大量的理论推导和建模方面作了大量工作。工作。谷谷朝朝红等红等人人自行编制程序自行编制程序SFCVAPSFCVAP进行了水轮机部件流固耦合进行了水轮机部件流固耦合振动特性振动特性的的研究。研究。梁权梁权伟等伟等运用运用全流全流固耦合固耦合的三维有限元方法对某水电站混流式转轮进行了的三维有限元方法对某水电站混流式转轮进行了模模态分析态分析, ,计算了转轮在空气中的前计算了转轮在空气中的前2020阶和在水介质中的前阶和在水介质中的前7

8、7阶振动特性阶振动特性, ,得到得到相应的相应的固有频率和固有频率和振型振型, ,并对结果进行了比较和并对结果进行了比较和分析。分析。王正王正伟等伟等采用采用NewmarkNewmark算法离散瞬态算法离散瞬态N N一一s s方程和瞬态结构动力方程方程和瞬态结构动力方程, ,进行了进行了负负荷调节荷调节过程中混流式转轮的过程中混流式转轮的瞬态流瞬态流固耦合固耦合计算计算, ,得出了合理的瞬时压力和应得出了合理的瞬时压力和应力力结果。结果。3.流固耦合在流体机械中的应用流固耦合在流体机械中的应用流固耦合在水泵中的流固耦合在水泵中的应用：应用：BrennenBrennen早早在在2020世纪世纪9

9、090年代就已经认识到了离心泵中存在的年代就已经认识到了离心泵中存在的流固耦合现流固耦合现象象，并进行了理论的推导和实验研究，并进行了理论的推导和实验研究。BenraBenra等人分别等人分别使用使用双向交替耦合及单向耦合双向交替耦合及单向耦合计算了无堵塞离心泵单叶计算了无堵塞离心泵单叶片的片的转子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，发现由双向交替由双向交替耦合计算耦合计算出来的结果与试验值更为接近出来的结果与试验值更为接近。GuadaqniGuadaqni等等采用采用流固耦合方法流固耦合方法对一新型泵结构动力特性进行了模

10、拟，并对一新型泵结构动力特性进行了模拟，并通过通过试验测试验证了模拟结果的准确性。试验测试验证了模拟结果的准确性。袁启袁启明明对对某一轴流泵叶轮进行了某一轴流泵叶轮进行了单向顺序流固耦合单向顺序流固耦合计算，进行了动力学计算，进行了动力学分析分析，求得轴流泵叶轮在流场作用下的应力和变形，求得轴流泵叶轮在流场作用下的应力和变形。3.流固耦合在流体机械中的应用流固耦合在流体机械中的应用流流固固耦合在风机中的应用：耦合在风机中的应用：陈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

11、提供依据和的疲劳寿命、断裂分析和风机叶片的结构优化设计提供依据和参考；参考；杨杨庆庆山等山等在索膜结构的风致振动效应在索膜结构的风致振动效应、气弹动力稳定性气弹动力稳定性、大跨结构风振大跨结构风振系数以及流系数以及流固固耦合耦合作用作用等方面进行了等方面进行了研究；研究；徐徐旭、曹志远等研究旭、曹志远等研究柔柔长结构长结构气气固耦合线性固耦合线性和非线性气动力问题和非线性气动力问题, ,建立建立了相应的了相应的模型；模型；李林李林凌等研究凌等研究了了风机叶片风机叶片气气固耦合特性固耦合特性, ,并建立了风机叶片与周围并建立了风机叶片与周围空气空气耦合的微分方程模型。耦合的微分方程模型。4.流固

12、耦合研究方法流固耦合研究方法近年来近年来，流固耦合问题研究发展的三个标志为：，流固耦合问题研究发展的三个标志为：(1)(1)从线性流固耦合问题趋向于从线性流固耦合问题趋向于非线性非线性流固耦合问题；流固耦合问题；(2)(2)从固体结构的位移变形及强度问题趋向于固体结构的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屈曲问题；(3)(3)从单纯的流体差分格式或者固体有限元格式趋向于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混合或者兼容的流固格式固格式。 现在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

13、于N-SN-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。再进一步向前推进。4.流固耦合研究方法流固耦合研究方法 流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解析法或半解析法，而具，而具有复杂边界条件的

14、实际工程问题，很难给出其解析解。由于流固耦合系统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: :有限元法有限元法、有限体积法有限体积法等。等。4.流固耦合研究方法流固耦合研究方法(1)(1)有限元法有限元法 有限元法有限元法也叫有限单元法也叫有限单元法( (Finite Element Method，FEM) )，它是随着计，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。 有限元有限元方法的基

15、础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计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有限元方法。4.流固耦合研究方法流固耦合研究方法(2)(2)有限体积法有限体积法 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；将待解的微分方程有一个控制体积；将待解的微分方程( (控制方程控制方程) )对每一个控制体积积分，对每一个控制体积积分，从而得出一组离散方程从而得出一组离散方程。其中。其中的未知数是网格点上的因变量的数值的未知数是网格点