CN111783276A - 可压缩流体与固体界面耦合算法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可压缩流体与固体界面耦合算法、装置、设备及存储介质,应用于流固耦合力学技术领域,其中,方法包括基于上一时间步长的流场状态参数和固体结构场状态参数对流场和固体结构场进行初始化;根据预设物质定义方法对流固界面的物质进行定义;基于第一预设算法对定义后的流固界面的物质进行计算,得到流固界面的状态值;根据第二预设算法计算初始化后的流场和固体结构场的当前时间步长内的流场状态参数和固体结构场状态参数;基于界面位置确定算法根据所述当前时间步长内的流场状态参数、固体结构场状态参数以及流固界面状态值进行计算,得到当前时间步长的流固界面的状态值以及当前时间步长的流固界面的位置。
Description
技术领域
本发明涉及流固耦合力学技术领域,具体涉及可压缩流体与固体界面耦合算法、装置、设备及存储介质。
背景技术
流体-固体相互作用是一种几乎在所有的流体机械、海洋工程和航空航天领域的物理现象。流体对固体的冲击以及得到的响应对工程设备的设计优化具有重大的意义。因此到目前为止,存在多种应用于模拟流体固体相互作用的数值算法,主要包括欧拉-欧拉方法和任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法,而ALE最为常用。
而ALE方法的主要缺点是需要额外的重新分区,除了增加计算量外,如果重新分区的设计不当还可能产生数值不稳定性。
发明内容
有鉴于此,本发明为了在至少一定程度上克服相关技术中存在的问题,提供一种可压缩流体与固体界面耦合算法、装置、设备及存储介质。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
第一方面,一种可压缩流体与固体界面耦合算法,包括:
基于上一时间步长的流场状态参数和固体结构场状态参数对流场和固体结构场进行初始化;
根据预设物质定义方法对流固界面的物质进行定义;
基于第一预设算法对定义后的流固界面的物质进行计算,得到流固界面的状态值;
根据第二预设算法计算初始化后的流场和固体结构场的当前时间步长内的流场状态参数和固体结构场状态参数;
基于界面位置确定算法根据所述当前时间步长内的流场状态参数、固体结构场状态参数以及流固界面状态值进行计算,得到当前时间步长的流固界面的状态值以及当前时间步长的流固界面的位置。
可选的,所述流固界面的物质包括流固界面的欧拉流体,拉格朗日固体单元,流体-固体界面位置和虚拟介质。
可选的,所述流固界面的状态值包括流固界面的压力、速度和密度。
可选的,所述第一预设算法具体包括:
其中,pI表示流固界面的压强,ρIL表示流固界面左边的物质的密度,cIL表示流固界面左边的音速,uIL表示流固界面左边的物质的速度。
可选的,第二预设算法包括可压缩流体欧拉坐标下的控制方程和固体结构在拉格朗日坐标系下的控制方程;
具体的,可压缩流体欧拉坐标下的控制方程为:
其中:
ρ表示密度,u和v表示速度,p表示压力,E=e+0.5ρ(u2+v2)表示总能,e表示内能,S表示源项;
固体结构在拉格朗日坐标系下的控制方程为:
δ=g on Γg×]0,T[
σ=h on Γh×]0,T[
δ(x,0)=δ0(x),x∈Ω
其中,ρs、σ和f分别表示固体密度,柯西应力张量和体力矢量;和分别表示拉格朗日固体位移,速度和加速度矢量;Γg和Γh分别表示Dirichlet和Neumann边界;g表示规定的位移,h表示牵引边界条件;x和Ω表示立体空间坐标和计算域;δ0表示初始固体位移,表示初始固体速度场。
可选的,所述基于上一时间步长的流场状态参数和固体结构场状态参数对流场和固体结构场进行初始化,包括:
获取上一时间步长的固体结构场状态参数,以及上一时间步长的流场状态参数;
将所述固体结构场状态参数和所述流场状态参数,输入预先在流固交界面处生成的网格中。
可选的,所述界面位置确定算法,包括:
第二方面,一种可压缩流体与固体界面耦合装置,包括:
初始化模块,用于基于上一时间步长的流场状态参数和固体结构场状态参数对流场和固体结构场进行初始化;
物质定义模块,用于根据预设物质定义方法对流固界面的物质进行定义;
第一计算模块,用于基于第一预设算法对定义后的流固界面的物质进行计算,得到流固界面的状态值;
第二计算模块,用于根据第二预设算法计算初始化后的流场和固体结构场的当前时间步长内的流场状态参数和固体结构场状态参数;
耦合模块,用于基于界面位置确定算法根据所述当前时间步长内的流场状态参数、固体结构场状态参数以及流固界面状态值进行计算,得到当前时间步长的流固界面的状态值以及当前时间步长的流固界面的位置。
第三方面,一种可压缩流体与固体界面耦合设备,包括:
处理器,以及与所述处理器相连接的存储器;
所述存储器用于存储计算机程序;
所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序,以执行如第一方面所述的可压缩流体与固体界面耦合算法。
第四方面,一种存储介质,所述存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,实现如本发明第一方面任一项所述可压缩流体与固体界面耦合算法。
本发明采用以上技术方案,可以实现如下技术效果:本申请先基于上一时间步长的流场状态参数和固体结构场状态参数对流场和固体结构场进行初始化;根据预设物质定义方法对流固界面的物质进行定义;基于第一预设算法对定义后的流固界面的物质进行计算,得到流固界面的状态值;根据第二预设算法计算初始化后的流场和固体结构场的当前时间步长内的流场状态参数和固体结构场状态参数;基于界面位置确定算法根据所述当前时间步长内的流场状态参数、固体结构场状态参数以及流固界面状态值进行计算,得到当前时间步长的流固界面的状态值以及当前时间步长的流固界面的位置。如此,通过以上技术方法计算出流体固体相互作用下流场和固体结构场的参数值,不需要进行额外的重新分区,不会增加额外的计算量,该技术通过完全两向的耦合方法对二维多物理场问题进行模拟分析,是研究流体强冲击和固体(包括复合材料结构)强响应的有效技术。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的可压缩流体与固体界面耦合算法的案例结构示意图;
图2是本发明一实施例提供的可压缩流体与固体界面耦合算法的流程示意图;
图3是本发明一实施例提供的可压缩流体与固体界面耦合算法中界面定义的示意图;
图4是本发明另一实施例提供的可压缩流体与固体界面耦合算法的案例结构示意图;
图5是本发明一实施例提供的压力云图和速度矢量图示意图;
图6是本发明一实施例提供的一种可压缩流体与固体界面耦合装置的结构示意图;
图7是本发明一实施例提供的一种可压缩流体与固体界面耦合设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式,都属于本发明所保护的范围。
为了更好的理解本申请提供的方案,需要了解以下内容:
流固耦合问题中,流固耦合交接面处理和数据传递决定流固耦合问题计算的成败。流体与固体的相互作用主要体现在移动交界面处,当交界面发生运动变化,即产生流固耦合现象。流固耦合交界面是两种不同介质间的边界,不同于固体力学或流体力学中的边界问题。
实施例
本申请中,适用于可压缩流体与固体完全耦合的二维通用算法,基于以下案例进行归纳描述。
参照图1,一个铝制圆柱内充满可压缩水,爆炸源位于圆柱中心。这个案例是经典的水下内爆炸问题,主要用于研究内爆炸对设备的冲击和破坏。其中,R是可压缩流体内爆炸气泡的半径;LR是可压缩流体的宽度;RR是可压缩流体的高度。tr固体厚度;
图2是本发明一实施例提供的可压缩流体与固体界面耦合算法的流程示意图。如图2所示,本实施例提供一种可压缩流体与固体界面耦合算法,包括:
步骤201、基于上一时间步长的流场状态参数和固体结构场状态参数对流场和固体结构场进行初始化;
一些实施例中,上一时间步长的流场状态参数和固体结构场状态参数,可以在上一时间步长的计算中获得,若为初始时间步长,则其上一时间步长的状态参数变为初始参数。对流场和固体结构场的初始化包括获取上一时间步长的固体结构场状态参数,以及上一时间步长的流场状态参数;将所述固体结构场状态参数和所述流场状态参数,输入预先在流固交界面处生成的网格中。
步骤202、根据预设物质定义方法对流固界面的物质进行定义;
图3是本发明一实施例提供的可压缩流体与固体界面耦合算法中界面定义的示意图,参照图3,其中,所述流固界面的物质包括流固界面的欧拉流体,拉格朗日固体单元,流体-固体界面位置和虚拟介质。具体的,以流固界面为界,将界面内的流体定义为欧拉网络,固体定义为拉格朗日网络,以及虚拟介质网络。通过本实施例的预设物质定义方法固体计算不需要是有限元方法,不需要在流场里定义拉格朗日网格,因此,计算速度快,稳定性高。
步骤203、基于第一预设算法对定义后的流固界面的物质进行计算,得到流固界面的状态值;
一些实施例中,所述流固界面的状态值包括流固界面的压力、速度和密度。
第一预设算法具体包括:
其中,pI表示流固界面的压强,ρIL表示流固界面左边的物质的密度,cIL表示流固界面左边的音速,uIL表示流固界面左边的物质的速度。
步骤204、根据第二预设算法计算初始化后的流场和固体结构场的当前时间步长内的流场状态参数和固体结构场状态参数;
第二预设算法包括可压缩流体欧拉坐标下的控制方程和固体结构在拉格朗日坐标系下的控制方程;
具体的,可压缩流体欧拉坐标下的控制方程为:
其中:
ρ表示密度,u和v表示速度,p表示压力,E=e+0.5ρ(u2+v2)表示总能,e表示内能,S表示源项;
固体结构在拉格朗日坐标系下的控制方程为:
δ=g on Γg×]0,T[
σ=h on Γh×]0,T[
δ(x,0)=δ0(x),x∈Ω
其中,ρs、σ和f分别表示固体密度,柯西应力张量和体力矢量;和分别表示拉格朗日固体位移,速度和加速度矢量;Γg和Γh分别表示Dirichlet和Neumann边界;g表示规定的位移,h表示牵引边界条件;x和Ω表示立体空间坐标和计算域;δ0表示初始固体位移,表示初始固体速度场。
步骤205、基于界面位置确定算法根据所述当前时间步长内的流场状态参数、固体结构场状态参数以及流固界面状态值进行计算,得到当前时间步长的流固界面的状态值以及当前时间步长的流固界面的位置。
一些实施例中,界面位置确定算法为:
进一步的,本发明的具体实施方式可通过以下的案例来陈述,如图4所示,本发明的具体实施方式可通过以下的案例来陈述:
该案例是一个在三层复合材料板下部的水下球爆炸问题,其中,R是水下球半径;L是流场的宽度;H是流场的高度;Tf是复合材料外层的厚度;Tc是夹层的厚度。具体的,R=0.2m,L=2m,H=1.4m,Tc=0.15m,Tf=0.075。
本专利的欧拉-拉格朗日方法用于研究瞬态夹层三层复合板在水下爆炸中的响应。由于缺乏适当的状态方程来描述复合材料固体,因此欧拉-欧拉方法无法有效的模拟该类复杂的物理化学现象。同时由于爆炸多相流体的复杂性,也难以使用拉格朗日-拉格朗日法来模拟爆炸和相关的气泡相互作用.因此本专利的欧拉-拉格朗日是用来研究复合结构与可压缩多相流之间的剧烈相互作用的首选方法。
该问题的初始冲击载荷,来自爆炸产生的高压爆炸气泡。气泡的初始压力和半径分别为1000bar和0.2m。复合板材料假设不同的材料层为完美的粘合。流体网格尺寸为Δx=Δy=0.0042m。固体结构网格尺寸为Δx=0.0167m;Δy=0.015m,计算时间步长均为t=0.5μs。
通过本专利技术提供的算法可以研究刚性固体和可变形复合材料固体在强冲击下不同的响应表现。图5是本发明一实施例提供的压力云图和速度矢量图示意图,如图5所示,在相同的流体爆炸冲击和相同的固体几何形状的条件下,在刚性固体表面的压力大于可变形的复合结构固体表面的压力,这是以为结构的变形吸收了能量因此显著降低了界面压力,固体受力的精准数值可以通过计算得到。
本发明技术要解决的是上述各种常用流固耦合数值模拟技术所遇到的困难,包括提高流固耦合算法的计算效率和收敛性,并将该算法在一维问题上的应用推广到二维或者轴对称问题上,达到提高算法通用性的目的。具体来说,本专利技术是为流固相互作用问题提出一种全新的欧拉-拉格朗日方法,其中欧拉可压缩多相流体求解器和通用拉格朗日固体求解器是完全耦合的。本专利技术通过求解两个非线性流体特征方程,以捕捉多相流体物质界面的状态,同时将流体特征方程和固体运动方程式进行解耦用来捕捉流体-固体物质界面的状态。本专利的算法的准确性和鲁棒性通过了数值和实验数据的验证。更重要的是,本专利技术可有效的求解任意复合材料结构在受到流动冲击时的响应。本专利算法提供该类二维或者轴对称问题下的算法结构和理论基础,是解决实际工程问题的核心算法。
本发明技术开发出实用于可压缩流体与复合材料固体结构分析完全耦合的二维算法,发明内容的先进性主要体现在算法的通用性和计算效率,可以高效的模拟复合材料固体在受到流动冲击后的响应。发明的创新性主要体现在三个方面:第一、提出高效的欧拉-拉格朗日流固耦合算法;第二、提出模拟复合材料结构响应的方法;第三、统一的多相流多物理场数值模拟技术框架。
除了本专利的流体固体相互作用完全耦合算法外,目前还有包括欧拉-欧拉方法,拉格朗日-拉格朗日方法,和任意拉格朗日-欧拉方法的方案可以在一定程度上实现流固耦合模拟分析。但是在固体受到强冲击而产生瞬时大变形的工程问题中,本专利技术方案是唯一可以高效的实际工程问题中使用的方法。
图6是本发明一实施例提供的可压缩流体与固体界面耦合装置的结构示意图。如图6所示,本实施例提供一种可压缩流体与固体界面耦合装置,包括:
初始化模块601,用于基于上一时间步长的流场状态参数和固体结构场状态参数对流场和固体结构场进行初始化;
物质定义模块602,用于根据预设物质定义方法对流固界面的物质进行定义;
第一计算模块603,用于基于第一预设算法对定义后的流固界面的物质进行计算,得到流固界面的状态值;
第二计算模块604,用于根据第二预设算法计算初始化后的流场和固体结构场的当前时间步长内的流场状态参数和固体结构场状态参数;
耦合模块605,用于基于界面位置确定算法根据所述当前时间步长内的流场状态参数、固体结构场状态参数以及流固界面状态值进行计算,得到当前时间步长的流固界面的状态值以及当前时间步长的流固界面的位置。
本实施例的具体实现方案可以参见前述实施例记载的可压缩流体与固体界面耦合算法及方法实施例中的相关说明,此处不再赘述。
图7是本发明一实施例提供的一种可压缩流体与固体界面耦合设备的结构示意图。参照图7,本申请实施例的提供了一种可压缩流体与固体界面耦合设备,包括:
处理器701,以及与处理器相连接的存储器702;
存储器702用于存储计算机程序;
处理器701用于调用并执行存储器702中的计算机程序,以执行如上述实施例中的可压缩流体与固体界面耦合算法。
本实施例的具体实现方案可以参见前述实施例记载的可压缩流体与固体界面耦合算法及方法实施例中的相关说明,此处不再赘述。
本发明实施例提供一种存储介质,存储介质存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时,实现如可压缩流体与固体界面耦合算法中各个步骤。
本实施例的具体实现方案可以参见上述可压缩流体与固体界面耦合算法实施例中的相关说明,此处不再赘述。
可以理解的是,上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考,在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是,在本发明的描述中,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外,在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为,表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分,并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现,其中可以不按所示出或讨论的顺序,包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序,来执行功能,这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解,本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中,多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行装置执行的软件或固件来实现。例如,如果用硬件来实现,和在另一实施方式中一样,可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现:具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路,具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路,可编程门阵列(PGA),现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成,所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中,该程序在执行时,包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器,磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种可压缩流体与固体界面耦合算法,其特征在于,包括:
基于上一时间步长的流场状态参数和固体结构场状态参数对流场和固体结构场进行初始化;
根据预设物质定义方法对流固界面的物质进行定义;
基于第一预设算法对定义后的流固界面的物质进行计算,得到流固界面的状态值;
根据第二预设算法计算初始化后的流场和固体结构场的当前时间步长内的流场状态参数和固体结构场状态参数;
基于界面位置确定算法根据所述当前时间步长内的流场状态参数、固体结构场状态参数以及流固界面状态值进行计算,得到当前时间步长的流固界面的状态值以及当前时间步长的流固界面的位置。
2.根据权利要求1所述的可压缩流体与固体界面耦合算法,其特征在于,
所述流固界面的物质包括流固界面的欧拉流体,拉格朗日固体单元,流体-固体界面位置和虚拟介质。
3.根据权利要求1所述的可压缩流体与固体界面耦合算法,其特征在于,所述流固界面的状态值包括流固界面的压力、速度和密度。
5.根据权利要求1所述的可压缩流体与固体界面耦合算法,其特征在于,第二预设算法包括可压缩流体欧拉坐标下的控制方程和固体结构在拉格朗日坐标系下的控制方程;
具体的,可压缩流体欧拉坐标下的控制方程为:
其中:
ρ表示密度,u和v表示速度,p表示压力,E=e+0.5ρ(u2+v2)表示总能,e表示内能,S表示源项;
固体结构在拉格朗日坐标系下的控制方程为:
δ=g on Γg×]0,T[
σ=h on Γh×]0,T[
δ(x,0)=δ0(x),x∈Ω
6.根据权利要求1所述的可压缩流体与固体界面耦合算法,其特征在于,所述基于上一时间步长的流场状态参数和固体结构场状态参数对流场和固体结构场进行初始化,包括:
获取上一时间步长的固体结构场状态参数,以及上一时间步长的流场状态参数;
将所述固体结构场状态参数和所述流场状态参数,输入预先在流固交界面处生成的网格中。
8.一种可压缩流体与固体界面耦合装置,其特征在于,包括:
初始化模块,用于基于上一时间步长的流场状态参数和固体结构场状态参数对流场和固体结构场进行初始化;
物质定义模块,用于根据预设物质定义方法对流固界面的物质进行定义;
第一计算模块,用于基于第一预设算法对定义后的流固界面的物质进行计算,得到流固界面的状态值;
第二计算模块,用于根据第二预设算法计算初始化后的流场和固体结构场的当前时间步长内的流场状态参数和固体结构场状态参数;
耦合模块,用于基于界面位置确定算法根据所述当前时间步长内的流场状态参数、固体结构场状态参数以及流固界面状态值进行计算,得到当前时间步长的流固界面的状态值以及当前时间步长的流固界面的位置。
9.一种可压缩流体与固体界面耦合设备,其特征在于,包括:
处理器,以及与所述处理器相连接的存储器;
所述存储器用于存储计算机程序;
所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序,以执行如权利要求1-7任一项所述的可压缩流体与固体界面耦合算法。
10.一种存储介质,所述存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,实现如权利要求1-7任一项所述可压缩流体与固体界面耦合算法。
Priority Applications (1)
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