典型钝体结构流致效应和机理分析与计算方法研究

本项目以海洋工程等领域的重大需求为背景，以圆柱/方柱形钝体结构（群）为对象，以降低结构流致损毁为目标，以计算流体动力学和结构振动理论为基础，以理论分析和数值模拟为手段，以基础性研究为特色，以钝体结构群的流致效应与多钝体绕流为锁定研究内容，提出ALE描述下多钝体结构两向自由度大位移/大变形的非线性动力模型及其数值求解算法，提出新型高性能流体有限元方法及其流体N-S方程的时空离散新格式，研究并选择适用湍流模型，构建流体动态网格新策略；通过数值模拟实验，揭示多钝体结构的流致振动效应特性、规律及其机理，阐释多钝体两向自由度流致共振效应，科学认识受激振动下多钝体的绕流性态和涡旋时空演化规律、结构-尾流互扰规律、流场和结构间的能量输运转换机制及其与结构振动性态的关系，揭示三维效应、剪切来流效应对钝体结构流致效应和绕流的影响。本项目既有鲜明学术前沿性，也有显著应用意义，可为工程分析提供科学的理论支撑。

以海洋工程常见的圆柱、方柱形、三角形等钝体为对象，以计算流体动力学和结构振动理论为基础，在钝体绕流和流固耦合的新型分析方法和数值求解算法方面，提出了流固交界面耦合分析的改进型联合交界面边界条件方法，适用于流固界面大移动情形下的子块移动技术(MSA)与正交半扭转弹簧近似法结合的网格生成与更方法，建立了显式、半隐式和隐式分区流固耦合子迭代耦合算法；提出了任意拉格朗日-欧拉（ALE）描述下的ICBS-ALE稳定化有限元格式，具有更强稳定性的三步半隐式Taylor特征线分裂有限元格式（3-TCBS）和CBS/MINI稳定化有限元格式。在钝体结构流致效应和机理上，研究了二维层流下顺排两圆柱两向固有频率比、来流速度等物理参数对结构流致振动的影响，发现了涡激振动、尾激振动和涡—尾共激振动机制；发现了并排两圆柱的纯锁定态、非完美锁定态、周期性加倍态、拟周期态I和拟周期态II等流致振动响应形态，指出时均纵向力受结构间距和流动响应状态影响较大，而时均横向力主要与结构间距相关；研究发现了顺排静止方柱-双自由度振动圆柱的2S（双单涡）、2P（双涡对）、P＋S（涡对＋单涡）和稳态尾流等流态，阐明了流动互扰条件下，流动效应和结构自振频率特征在流体-结构耦合响应中的互作机制；发现了静止和转动三角棱柱钝体的分离模式（SM）、涡融合模式（VM）与单个二次涡模式（SSV）等流动模式，揭示了雷诺数、来流攻角、钝体转动幅度、转动频率对结构表面流体力与周围流场特性的影响规律；发现了并排静止双方柱的单钝体尾流、间隙流互扰尾流和反相同步涡脱落尾流流态，指出间距比对流态影响明显；研究了静止四圆柱、静止三圆柱钝体绕流性态，揭示了柱体间距比、雷诺数和湍流模式对多钝体绕流特性、气动参数的影响规律并阐明其力学机制，发现了三圆柱的八种尾流流态，四圆柱的单钝体尾流流态、稳态流等多种流态；研究了正方形排列四圆柱的双向涡激振动和绕流性态，发现了尾流流态随参数不同可呈现’4S’或’2S+2P’模式；研究了低雷诺数下静止串列多方柱钝体的流场绕流性态，揭示了串列方柱群互扰效应的关键特征和对结构气动特征的影响规律；分别研究了在剪切流作用下的单圆柱、顺排双圆柱绕流和单/双向自由度流致振动，揭示了系统的动力响应、尾流特性和水动力参数特性，分别阐明了它们的流体-固体耦合作用的涡动力机理，揭示了双圆柱间的互扰机理。