柔性结构流固耦合生物湍流的浸没边界模拟方法及应用研究

浸没边界法（IBM）是生物学与仿生学中模拟流固耦合的有效方法，但缺乏合理湍流模型相配，致使其实际应用受限制。本研究提出高效计算三维柔性结构流固耦合湍流的IBM，并用之研究实际生物力学问题。算法基本思想是将大涡模拟（LES）和柔性边壁湍流模型引入传统IBM中，采用高效的格子玻尔兹曼方法（LBM）求解IBM流体方程。新意是IBM-LBM-LES三种新颖方法和边壁湍流模型的耦合，难点是探索合适的边壁湍流模型并保证计算准确性与高效性。采取理论分析、数值模拟、模型实验验证和实际应用循序渐进的研究方案。通过湍流中柔性薄片的变形和振动、三维管道局部束窄湍流等模型实验对算法加以验证；成功后将模拟两个典型生物力学问题：野姜大叶片通过卷曲来减小阻力和振动、动脉粥样硬化患者动脉严重狭窄处的血液湍动导致斑块脱落的机理。成果是有效的柔性结构流固耦合湍流模拟算法、典型生物力学问题的规律和机理、算法的并行化软件包。

针对浸没边界法（IBM）与格子玻尔兹曼方法（LBM）的耦合算法及其在复杂流固耦合问题模拟中的应用两方面开展研究，取得多方面进展。（1）现有IBM-LBM耦合算法的改进：提出采用粘性抵消法来增强LBM的稳定性，采用Cheng外力项格式来提高耦合算法的稳定性和精度，采用力项迭代修正来提高无滑移边界模拟精度，以及采用加权迭代来增强耦合稳定性的方法，大幅提升了耦合格式的精度和稳定性，使之能够模拟接近实际的柔性和刚性结构流固耦合问题；（2）IBM-LBM耦合算法的并行实现：在GPU平台上并行化三维IBM-LBM耦合算法，给出了CUDA构架下的LBM、IBM、IBM-LBM并行计算核心，实现了比CPU串行程序快百倍的运算速度，使该算法可以计算大规模问题。（3）复杂流固耦合问题模拟：模拟了带斑块的动脉束窄段流动及其自激振荡现象；设计三维程序，模拟分析了气球充气鼓胀、破口泄气、后座驱动、破块吹落等复杂动态现象，为进一步模拟动脉血管破裂、斑块脱落等生物力学问题奠定了基础。（4）柔性结构流固耦合问题研究：对三维树叶在风中的收缩卷曲现象、柔性薄片在水中的横向运动等问题进行模拟，分析了其动力学规律和机理，总结了将实际树叶概化为计算模型的方法，展现了强大的模拟能力。（5）刚性结构流固耦合问题模拟：将大涡模拟方法（LES）加入耦合算法，对机械心阀、水渠中下卧式闸门、贯流式水轮机甩负荷过程等三维大尺度工程流动进行模拟，得到与模型试验和经验公式相一致的结果，证明了该方法模拟实际问题的可行性和准确性。（6）应用扩展：将LBM方法的应用扩展到水力学中，提出基于双分布函数模型和LES的湍流场计算方法，成功实现模型水库水温时空变化过程的模拟；另外还定制LBM模型，模拟分析混凝土蜗壳中三维水锤波和梯级电站渠道非恒定流。这些工作，特别是IBM-LBM耦合算法的精度和稳定性的大幅提高，使实际问题的模拟成为可能，为该方法的广泛应用奠定了基础。.依托本项目培养博士生2名，硕士生4名；发表SCI论文8篇，录用1篇，投稿2篇；申请发明专利1项；获批软件著作权2项。