立管涡激振动问题的多尺度数值分析方法研究

本项目针对立管涡激振动问题几何多尺度，流动多尺度，结构响应多模态的特征，把拟小波方法与网格嵌套技术和分块并行技术结合，构建多尺度网格嵌套有限元方法，处理立管几何多尺度问题；利用多重网格虚拟边界法，ALE方法和移动网格技术，把流体和立管控制方程归一化，形成统一方程，以流体速度、压力和立管的变形位移为变量，实现立管柔性变形与流场流动的整体求解，处理流固耦合和结构响应多模态问题；利用多尺度大涡模拟方法考虑涡流场多个不同尺度上多个不同的物理量过程的耦合作用，处理流动多尺度问题。在此基础上，形成立管涡激振动问题的多尺度数值分析方法，并应用于细长立管涡激振动问题的数值模拟计算，探讨和分析立管涡激振动多尺度非线性相互作用和跨尺度关联下的三维涡流场和多模态结构响应的特性。开展本项目研究，不仅可以为深海油气资源开发提供有力的技术支持，而且对丰富涡激振动机理认识和发展流固耦合问题新的数值计算方法都有重要意义。

本项目针对立管涡激振动多尺度问题，通过利用ALE方法、移动网格技术结合，并与网格嵌套技术和分块并行技术结合，应用多尺度大涡模拟方法，计算分析立管湍流涡流动和涡激振动问题。基于OpenFOAM平台，实现网格嵌套技术与多尺度大涡模拟方法的匹配结合，数值模拟细长柔性圆柱立管受迫振动或自激振动的涡流场，分析立管涡激振动的水动力特性。本项目在网格重叠技术开发、立管数值水池、水动力学复杂粘性流场求解器、多尺度大涡模拟方法和应用等方面做了探索，实现了立管涡激振动问题的数值模拟，在立管涡激振动多尺度研究方面取得了进展，但总得来说还没有完全解决细长立管涡激振动多尺度问题，目前只能针对具体问题开展具体数值模型设计和计算研究分析，今后我们还将继续开展这方面的研究探索。值得高兴地是，在本项目支持下，我们拓展增加了基于OpenFOAM平台的波浪-流-结构物相互作用的求解器和数值水池求解器的开发研究工作，很好带动了海洋工程数值水池的研究，包括立管涡激振动问题的研究。在本项目资助下，发表了79篇论文，其中国外核心杂志2篇，国内核心杂志18篇，SCI收录4篇，EI收录18篇，ISTP收录11篇，国际会议论文20篇，国内会议论文12篇。获得三项软件著作权证书。指导了3名博士生和8名硕士生开展流固耦合和粘性计算流体力学的论文研究工作。