织物流固耦合模型的动态流场混合分析方法

摘要

本发明公布了一种织物流固耦合模型的动态流场混合分析方法，方法采用计算步骤为：（1）建立织物三维网格模型；（2）基于LS-DYNA的ALE法对织物进行动态分析，得到织物动态变化情况；（3）将瞬时织物外形作为流场边界条件，并且划分贴体网格；（4）基于FLUENT进行流场分析。本发明首次利用LS-DYNA的ALE法（ArbitraryLagrangian-Eulerian）获得织物动态形状作为FLUENT边界条件分析流场情况，有效解决了ALE法流场描述不精确和柔性织物大变形下动网格流场计算困难的问题。

主权项

一种织物流固耦合模型的动态流场混合分析方法，其特征在于包括以下步骤：第一步：对织物建立三维模型使用三角形单元对织物划分网格；如果织物需要折叠，使用直接折叠法或者初始矩阵法完成织物的折叠；动态流场使用六面体网格，织物使用壳结构单元，可以穿插于动态流场网格中；第二步：采用ALE法对织物进行充气过程计算对织物建立FSI模型，控制方程如下：流场控制方程由质量方程、动量方程和能量方程组成，分别为： ∂ ρ ∂ t = - ρ ∂ v i ∂ x i - w i ∂ ρ ∂ x i , ∂ v i ∂ t = σ ij , j + ρb i - ρ w i ∂ v i ∂ x j , ρ ∂ E ∂ t = σ ij v i , j + ρb i v i - ρ w j ∂ E ∂ x j , 式中vi表示物质速度；wi表示相对速度wi＝vi‑ui；ui表示网格的速度；σij表示应力张量σij＝‑pδij+μ(vi，j+vj，i)；bi表示单位体积力；δij表示Kroneckerδ‑函数；网格控制方程为 ∂ f ( X i , t ) ∂ t = ∂ f ( x i , t ) ∂ t + w i ∂ f ( x i , t ) ∂ t Xi表示拉格朗日坐标；xi表示欧拉坐标；wi表示相对速度；结构控制方程为：Mw″+Cw′+Kw＝F其中M、C、K分别表示单元质量、阻尼模量和弹性模量；F表示膜单元所受合力；采用显式的松散耦合方法进行计算：在起始步将流固耦合界面的形状作为流场的边界进行流场求解，计算出流固耦合界面上的流体力，然后把求得的流体力当作耦合面上的荷载，计算气囊的结构变形，得到新的流固耦合界面位置；不断重复上述交互过程，直至达到预订求解时间或者问题收敛，得到织物外形动态变化过程；第三步：导出数据，建立流场网格导出第二步所述织物外形动态变化过程中的织物充气过程各单元瞬时的外形及运动速 度，以及流场入口压力曲线；对各瞬时外形的气囊建立囊内流场贴体网格；囊衣流场边界为无滑移边界条件，即囊衣各单元的运动速度为物面边界条件；充气边界设定为压力入口；第四步：基于FLUENT进行流场计算基于FLUENT软件对流场采用大涡模拟或雷诺平均N‑S方法进行计算，直至结果收敛。