mobile365体育投注

科研新闻

mobile365体育投注刘谋斌课题组在多介质强耦合高精度数值模拟方法研究方面取得重要进展

2021-05-24

多介质强耦合问题广泛存在于工程科学众多领域,如海洋工程波浪砰击、防护工程爆炸驱动及增材制造激光熔融等,既属于力学学科前沿与交叉问题,又具有重大工程应用背景。然而,多介质强耦合问题涉及非线性、强动载、运动界面及瞬态效应,其精准模拟一直是计算力学领域的一个难题。

mobile365体育投注刘谋斌课题组(先进计算与多介质耦合力学)长期从事多介质强耦合问题数值模拟方法与应用研究,发展了高精度SPH方法及SPH与网格法耦合系列算法,已经应用于波浪砰击、液体晃荡、爆炸焊接及激光选区熔化等不同领域。近年来,间断伽辽金(Discontinuous Galerkin, DG)方法因具有高精度紧凑计算格式、擅长处理强间断激波,得到了国内外学者的广泛关注,也成为课题组重要研究方向之一。

拉格朗日DG方法能够直接追踪流体质点的位置,准确获取多介质界面信息。然而,当流体发生大变形或者强扭转现象时,计算网格会随之扭曲变形,网格质量恶化进一步造成计算精度不足与稳定性缺失,甚至导致计算中断。为了解决含大变形与强扭曲的复杂流动与多介质强耦合问题,刘谋斌课题组最近发展了间接ALE-DG原创算法,实现了可压缩流体大变形、强扭转以及强冲击现象的高精度计算,建立了高精度强非线性流固耦合模型。所发展的DG算法和模型能够推广应用于水下爆炸等多介质强耦合问题。

首先,通过将自适应网格拓扑优化技术与拉格朗日DG方法结合,发展了一种高精度间接ALE-DG算法,克服了传统拉格朗日网格法难以模拟大变形问题的难题。该算法包括拉格朗日计算、网格拓扑优化以及物理量重映等三个主要步骤。首先,采用DG算法对拉格朗日框架下的可压缩欧拉方程进行空间离散,利用声学黎曼求解器计算节点的运动速度与单元边界上的数值通量。其次,当流体产生大变形网格质量恶化时,采用自适应拓扑优化技术改变及优化网格拓扑关系,提高算法的稳定性。最后,运用高阶守恒重映算法将旧网格上的物理量重映到新的优化网格上。与传统拉格朗日网格法相比,所发展的高精度间接ALE-DG算法在计算精度与鲁棒性上面都展现出了显著的优越性(图1),相关工作发表在计算流体力学领域顶级期刊Journal of Computational Physics (JCP)(2021,438: 110368)上。论文第一作者为mobile365体育投注博士后武文斌,刘谋斌教授为通讯作者,论文合作者包括哈尔滨工程大学张阿漫教授。


图1. 常规的拉格朗日DG算法(左列)与所发展的间接ALE-DG算法(右列)结果的对比。(a)Taylor-Green涡问题;(b)Sedov问题;(c)Saltzman问题

此外,基于声学有限元理论与DG算法,改进了传统的声流固耦合算法,建立了远场水下爆炸瞬态流固耦合模型,研究了水下爆炸冲击载荷作用下自由面浮体附近的空化现象(图2)。系统研究了结构质量与浸没水深对水下爆炸流固耦合效应的影响,揭示了结构湿表面上水动力载荷的分布规律。作为水下爆炸瞬态流固耦合模拟的关键技术,该模型能够研究水下爆炸空化现象形成、生长、缩减以及溃灭的演变过程,实现了声流固耦合模拟程序的自主可控。相关工作以特色亮点论文(Featured Article)形式发表在流体力学著名期刊Physics of Fluids (PoF)(2020,32: 016103)上。第一作者为mobile365体育投注博士后武文斌,通讯作者为刘谋斌教授,论文合作者包括哈尔滨工程大学张阿漫教授和刘云龙副教授。


图 2 水下爆炸冲击作用下球壳附近流场压力云图

相关研究工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金以及中物院挑战计划的支持。

 
Baidu
sogou