建立基于浸入边界有限元法的三维静脉瓣流固耦合数值模型

目的 探究静脉内血液与瓣膜之间的流固耦合动态过程和保证血液单向回流的生理机制。方法 基于浸入边界有限元法,结合人体下肢静脉医学图像及牛大隐静脉的解剖结构和尺寸,采用超弹性本构模型描述静脉瓣膜在生理条件下不可压缩、非线性和超弹性力学响应,构建静脉血管和静脉瓣膜的三维数值模型。结果 研究结果可视化地展示静脉动态运输血液的过程以及静脉瓣膜防止反流的功能机制,再现静脉内瓣膜运动和血液流动的周期性特点,讨论和量化了整个心动周期内的重要生理数据,包括静脉内血液的压力、流速和流量以及静脉瓣膜的开口面积、静脉瓣膜表面的应力和应变分布等。结论 三维流固耦合模型可数值再现静脉内生理动态过程,为进一步揭示静脉疾病相关机制提供重要的参考和指导意义。

基于流固耦合的闸板防喷器建模及有限元分析

为了更加准确地分析流体对闸板剪切力的影响规律,需要对闸板防喷器剪切钻杆进行流固耦合分析。以钻杆窜动和扭转2种动态工况为例,利用SolidWorks建立闸板防喷器三维模型,并对防喷器内部流体域进行有限元建模,输出到ANSYS Fluent进行有限元分析。结果表明:在闸板剪切钻杆过程中,流体达到稳态后,在钻杆窜动工况下,流体力随钻杆受载荷力增大而减小;在钻杆扭转工况下,流体力随钻杆扭转角度而变化,在扭转90°时流体力最大。研究结果可为防喷器剪切闸板的剪切能力分析及结构设计提供参考。

储层流固耦合的数学模型和非线性有限元方程

根据饱和多孔介质固体骨架的平衡方程和多孔介质中流体的连续性方程,建立了储层流固耦合数学模型。模型中引入了Jaumann应力速率公式描述多孔介质固体骨架的大变形效应,并考虑了地应力、初始孔隙压力、初始流体密度和初始孔隙度对耦合模型的影响。基于与微分方程等价的加权余量公式,在空间域采用有限元离散,对时间域进行隐式差分格式离散,导出了以单元节点位移和单元节点孔隙压力为未知量的储层流固耦合的非线性有限元增量方程。该模型在石油工程中有广泛的应用,为储层流固耦合的数值模拟奠定了理论基础。

液态金属堆内小长径比同轴双层薄壁结构的流固耦合试验研究

池式液态金属堆的主容器与热屏之间具有狭窄的流体间隙,该结构属于含窄缝间隙的小长径比同轴双层柔性壳体。窄缝间隙中流体与结构之间相互作用产生的流固耦合效应在抗震分析时必须加以考虑。现有研究主要针对长径比较大和流体间隙相对较大的圆柱壳体,对于小长径比和极小流体间隙的同轴柔性壳体研究较为缺乏。本文参考液态金属反应堆的结构设计了三种不同尺寸的窄缝间隙,开展窄缝间隙条件小长径比同轴双层壳体模型的振动试验,测量结构在不同间隙尺寸下的加速度,得到模态频率和主要振型。然后,使用有限元法进行模态分析,通过与试验结果的对比,验证了有限元法的准确性。最后,计算出不同间隙尺寸下模型的附加质量;且随着间隙尺寸的减小,模型附加质量随之增大。本研究可为类似的含窄缝小长径比同轴双层柔性壳体结构的抗震设计提供数据支持,对于液态金属堆的抗震分析具有重要意义。

页岩气藏流固耦合渗流模型及有限元求解

页岩气渗流模型是页岩气藏动态分析和数值模拟的基础。将裂缝性页岩气藏视为基质孔隙–裂缝双重介质,同时考虑岩石骨架变形对气体渗流场的影响,建立页岩气藏流固耦合渗流模型。模型假设基质孔隙内作克努森流动,裂缝中作达西渗流,综合考虑页岩气壁面滑脱流动与孔内扩散作用、吸附与脱附、应力敏感性等渗流机制。采用有限元法离散控制方程及全隐式耦合求解方法,编制计算机程序。考虑真实页岩参数取值,利用该模型进行算例分析。结果表明,页岩气藏压力下降速率小于常规裂缝性气藏压力下降速率;裂缝渗透率是影响裂缝渗流压力衰减的主要因素,需考虑页岩裂缝导流能力与基质产气速率的匹配关系;原始地层压力越小,裂缝渗流压力衰减越慢。所建模型可为页岩气藏模拟器开发及动态分析提供理论基础。

平面弹性管束管内流固耦合振动特性有限元分析

弹性管束换热器利用流体诱导振动实现强化传热,识别流固耦合作用下弹性传热元件的振动特性对于研究其强化传热机理、优化管束结构等具有重要意义。基于此,采用有限元法研究平面弹性管束在管内流体流动作用下的振动特性。通过多点约束方程约束四根管束自由端位移,对管束自由端的连接体采用集中质量法进行简化,利用坐标变换统一弹性管束四根弯管的单元矩阵,在此基础上建立管束振动状态方程,分析不同流速下平面弹性管束的频率变化及振型特点,求解管束振动失稳的临界流速。结果表明:平面弹性管束的阵型分为面内和面外振动,随着管内流速的增大,管束基频明显降低,管束失稳临界流速在3.3565～3.3569m/s之间,远大于弹性管束换热器实际工作条件下的管程流速。

储层流固耦合的数学模型及其有限元方程

利用有限元方法，建立了一个描述可变形饱和储层中流体流动的数值模型。该模型由一组完全耦合的控制方程组成，包括岩石骨架的平衡方程和流体在多孔介质中流动的连续性方程，模型中采用了基于Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服面的弹塑性本构关系。利用有限元方法得到了控制方程中未知的位移和流体压力在几何域上的耦合解。用全隐式数值格式对上述方程在时间域上进行求解，得到了完全耦合的有限元离散方程，并研究了该数值模型的稳定条件。该模型在石油工程中有广泛的应用，为可变形饱和油藏流固耦合渗流的数值模拟奠定了理论基础。

混流式水轮机转轮内流固耦合的有限元模型

通过分析转轮在发电机组运行时的运转特点,推导出了转轮内部流体域以及叶片固体域的运动微分方程和边界条件,并根据变分原理,运用加权余量的迦辽金法,建立了转轮内部流固耦合有限元模型,模型反映了流体参数,机械振动状态以及叶片结构参数的相互关系.

流固耦合有限元法用于油底壳模态计算

本文运用流固耦合有限元法 ,对有润滑油存在的油底壳进行了耦合模态计算 ,发现润滑油的存在对油底壳的模态频率和振型影响较大。由于流体的存在 ,使油底壳的模态频率大幅下降 ,振型也发生了较大变化。

考虑流固耦合作用旋转波纹管固有频率计算的有限元法

该文提出用有限元法计算考虑流固耦合作用的旋转波纹管的固有频率。将波纹管用两节点旋转锥壳单元离散化，单元之间以节点环相连接，将载荷和位移沿环向展开为傅立叶谐波级数，降低了计算维数，减少了计算自由度和计算机时。推导出考虑波纹管与管内流体动力耦合作用的旋转波纹管动力方程，计算出旋转波纹管的固有频率，可为工程中波纹管的动力设计提供理论依据。

箱体结构动强度的流固耦合有限元分析

针对某型车辆综合传动变速箱箱体,进行了流固耦合数学表达式的推导,并建立了箱体与箱体内油液的流固耦合有限元模型。首先分析了油液高度对箱体模态的影响;其次分析了其所受的动载荷,并进行了有限元的数值仿真计算,应用第四强度理论对箱体的强度进行了分析;最后根据计算结果,对该箱体结构进行了有针对性的加筋强化并对强化后的箱体振动再进行计算。仿真计算结果表明:进行加筋处理后的箱体结构振动幅值和应力均能得到有效抑制。

一种用于流固耦合分析的有限元网格简捷更新方法

针对流固耦合分析中的移动边界问题,在拟固体二步法的基础上,提出一种新的有限元网格更新方法:第一步(预测步),将流体网格作为指定位移边界条件下的拟固体,进行线弹性分析;第二步(校正步),根据第一步计算得到的应变场,采用主剪应变方法,赋予主剪应变较大的单元以较大的杨氏模量,对所构造的非均质固体进行运动分析,得到理想的更新网格.采用不同算法对不同运动类型(包括平动、转动、变形)和不同运动幅度下的二维、三维网格运动进行计算,结果表明:与一步法和Chiandussi法相比,文中提出的方法具有较强的适用性,能显著地减小单元的畸变,使网格保持优良的计算性能,适用于大变形流固耦合问题中的网格更新计算.

流固耦合分析的一种改进CBS有限元算法

针对流固耦合问题,发展了一种基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)描述有限元法的弱耦合分区算法.运用半隐式特征线分裂算法求解Navier-Stokes方程,在压力Poisson方程中引入质量源项以满足几何守恒律;运用子块移动技术更新动态网格,并配以光滑处理防止网格质量下降;采用Newmark-β法求解结构运动方程.为保持流体-结构界面处速度和动量守恒,利用修正结合界面边界条件方法求解界面处速度通量和动量通量.运用本方法分别模拟了不同雷诺数下单圆柱横向和两向流致振动、串列双圆柱两向流致振动.计算表明,本文方法计算效率高,计算结果与已有实验和数值计算数据吻合.

基于波有限元法的流固耦合结构波传导问题

采用波有限元方法研究流固耦合结构中的波传导问题。该方法以有限元法为基础,首先建立研究对象的有限元法模型,得到模型的动态刚度矩阵。通过对动态刚度矩阵的重新排列组合得到研究对象的传递矩阵,求解传递矩阵的特征值问题可以得到分别代表自由波传递的波数和波模。该研究首先分析独立流体结构和固体结构中的振动问题,并比较了采用波有限元法和理论方法求解得到的固体结构中波数分布情况,验证了模型的正确性。随后采用波有限元法分析流固耦合结构中的波传导问题。波有限元法的应用并不局限于所给出的均匀或周期性结构,还可将其应用于缓慢变化的非均匀结构。

腰椎运动节段流固耦合有限元模型的建立与验证

背景:传统的脊柱生物力学体外实验难以取得椎间盘液体相关的力学性能数据,国外可见多孔弹性有限元模型用于腰椎的固液二相性的研究,然而国内罕见相关报道。目的:利用ANSYS12.1有限元分析软件,建立腰椎运动节段流固耦合有限元模型,旨在推动有限元分析技术在脊柱生物力学方面的广泛应用。方法:对1名健康男性志愿者进行L4～5运动节段的螺旋CT扫描成像,利用医学图像处理软件Mimics10.01对其进行预处理,再利用逆向工程软件Geomagic9.0对模型进行NURBS曲面重构,然后导入有限元软件ANSYS12.1重建椎体皮质骨、松质骨、纤维环和髓核等结构,最后通过划分网格、定义材料属性、定义接触、加载求解等操作建立了腰椎运动节段流固耦合三维有限元模型,并将椎间盘高度随时间变化的数据与文献数据进行比较,以验证模型的有效性。结果与结论:建立了L4～5运动节段的流固耦合有限元模型,模型的总节点数210718个,总单元数85973个。将本模型所测得的椎间盘高度数据与文献数据进行比较,结果基本一致。腰椎流固耦合有限元模型更加符合人体的生物力学特点。

基于双向流固耦合的旋翼振动响应及噪声仿真分析

为精确预估流固耦合效应对旋翼桨叶振动响应及噪声计算的影响,本文建立了计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)模型和高精度结构有限元模型,基于弱流固耦合方法完成了旋翼单向及双向流固耦合计算,并采用基于Kirchhoff方法对FW⁃H方程进行求解,分析了旋翼近场旋转噪声。首先,基于地面模态分析试验对桨叶结构有限元模型进行高精度建模,同时完成旋翼旋转状态的CFD计算,并采用两种网格映射方式和四点插值法进行流场与结构的数据传递,完成了旋翼单向稳态及单向瞬态流固耦合分析。然后采用双向弱流固耦合方法计算结构动响应及非定常流场,分析比较单、双向流固耦合计算方法下桨叶振动响应的差异。最后,基于单、双向流固耦合计算得到桨叶表面的时变气动压强,计算旋翼旋转噪声,分析比较单、双向流固耦合计算方法的旋转噪声大小及分布特征。结果表明,文中基于高精度桨叶模型及双向流固耦合方法计算出的桨叶动响应及噪声分布符合悬停旋转噪声规律,可为未来桨叶结构设计、强度校核及噪声预估提供参考。

输流弯管流固耦合振动有限元分析

为了研究流体流经弯管时管道力学性能的变化情况,以流固耦合振动理论为基础,建立输流弯管有限元模型,利用ANSYS Workbench得到流体作用下管道的应力和变形,并分析了不同流体脉动频率对管道振幅的影响。结果表明:当流体流经弯管时,最大等效应力出现在管道入口上端和出口左端,最大变形出现在管道弯曲段;考虑单向流固耦合作用时管道应力与形变分析结果小于考虑双向流固耦合作用时的分析结果;输流弯管的主要振动形式为横向振动;流速一定时,流体的脉动频率与弯管的固有频率越接近,弯管的振幅越大。

基于ANSYS的平面闸门流固耦合振动特性的有限元分析

应用有限元振动分析方法对我国新疆某大型农业水利工程倒虹吸出口平面闸门的固有振动特性进行计算与分析。建立了平面闸门的实体模型和有限元模型,考虑流固耦合对闸门结构动态特性的影响,分析了平面闸门在无水和有水状态下的动态特性,计算得到闸门的前6阶固有频率及其振型。结果表明,闸门开度对其自振频率有着显著影响,在小开度时第1阶固有频率下降达到28.5%,沿竖直方向的整体振动的模态频率接近20 Hz,因此,为了提高闸门的第1阶固有频率,必须对闸门结构进行改进。

弹性薄膜类流固耦合问题的CBS有限元分析

提出了一种不可压缩流体与弹性薄膜耦合问题的特征线分裂有限元解法.首先,给出了流场和结构的控制方程.然后,对流场、结构以及流固耦合的具体求解过程进行了描述.其中,流场求解采用改进特征线分裂方法和双时间步方法相结合的隐式求解方式,并利用艾特肯加速法对每个时间步的迭代收敛过程进行了加速处理;结构部分的空间离散和时间积分分别采用伽辽金有限元方法和广义方法,并通过牛顿迭代法对所得非线性代数方程组进行了求解;流场网格的更新采用弹簧近似法;流场、结构两求解模块之间采用松耦合方式.最后,采用该方法对具有弹性底面的方腔顶盖驱动流问题进行了求解,验证了算法的准确性和稳定性.此外,计算结果表明艾特肯加速法可以显著地提高双时间步方法迭代求解过程的收敛速度.

基于ALE有限元法的流固耦合强耦合数值模拟

针对不同流固耦合问题,提出一种基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)有限元技术的分区强耦合算法.运用半隐式特征线分裂算法求解ALE描述下的不可压缩黏性流体Navier-Stokes方程.分别考虑一般平面运动刚体和几何非线性固体,采用复合隐式时间积分法推进结构运动方程,故可选用较大时间步长;进一步应用单元型光滑有限元法求解几何非线性固体大变形,获得更精确结构解且不影响计算效率.运用子块移动技术结合正交-半扭转弹簧近似法高效更新流体动网格;同时将一质量源项引入压力泊松方程满足几何守恒律,无需复杂构造网格速度差分格式.采用简单高效的固定点法配合Aitken动态松弛技术实现各场耦合,可灵活选择先进单场求解技术,具备较好程序模块性.运用本文算法分别模拟了H型桥梁截面颤振问题和均匀管道流内节气阀涡激振动问题.研究表明,数值结果与已有文献数据吻合,计算精度和求解效率均令人满意.