基于MGFM技术的可压缩无粘流体与板壳结构非线性耦合高效算法研究

The modified ghost fluid method (MGFM) developed recently, provides a new robust and efficient interface treatment for fluid-structure coupling, and has some successful applications. However, the problem of some special structure, such as plate or shell, remains to be resolved. By extending the latest technique of multi-medium Riemann problem in the Euler-Euler framework to the Euler-Lagrange framework and reasonably defining the ghost fluid status, this project will further develop the MGFM to treat the nonlinear coupling of inviscid compressible flow and plate/shell structure. According to the unique treatment for predicting the interfical status, this project will investigate the acceleration strategy of the coupling process to pursue higher efficiency. In order to avoid the additional computational cost induced by mesh regeneration or deformation in the vicinity of the interface, this project will also seek to simulate the flow field with the regular computational domain and Cartesian grid. This can be done due to the features of ghost fluid region and ghost fluid status in the MGFM. The dynamic processes of three-dimensional underwater explosion near plate/shell structures and strong jet or strong shock wave impacting on the plate/shell structure will be simulated numerically.Because the nonlinear fluid-structure interaction occurring at the interface is faithfully taken into consideration, this method is able to overcome the numerical instability, which is frequently encountered using the loosely-coupled strategy when the interface is under strong impact and large deformation.

近年来发展的修正的虚拟流体方法（MGFM）为解决流固耦合问题提供了一种稳健高效的界面处理新方式，已有一些成功的应用，但针对平板或壳体这类特殊结构的问题还有待解决。本项目将通过推广近期发展的Euler-Euler框架下多介质Riemann问题技术到Euler-Lagrange框架下并分析虚拟流体状态合理的定义方式，将MGFM应用于处理无粘可压缩流体与板壳结构的非线性耦合。利用特有的界面状态预测方式，探讨耦合过程中的加速策略以提高计算效率。为避免界面处网格重构或变形带来额外的计算开销，本项目还将结合MGFM在定义虚拟流体区域和虚拟流体状态方面的特色，用规则的计算区域和简单的直角网格计算流场，数值模拟三维近体水下爆炸以及强射流和强冲击波对板壳结构冲击的动态过程。由于真实考虑到两种介质同时发生的非线性相互作用，该方法克服目前普遍采用的弱耦合技术在界面遭受强冲击或大变形时容易产生数值不稳定性的缺陷。

可压缩无粘流体与板壳结构的耦合模拟在国防工业等实际问题中具有重要的应用，然而现有的技术手段在界面遭受强冲击或大变形时容易产生数值不稳定。本项目将近期发展的修正的虚拟流体方法(MGFM)推广解决这类流固耦合问题，设计基于MGFM技术的耦合算法，并自主研发可应用于三维近板壳结构水下爆炸或强射流冲击的数值模拟程序。由于真实考虑到流固间非线性相互作用，该方法能够弥补目前普遍采用的弱耦合技术在这方面的缺陷。研究工作取得如下主要进展：(1) 分析流固界面数值模拟技术，设计求解可压缩无粘流与弹性梁板结构非线性耦合问题的MGFM算法，数值结果表明该方法优于弱耦合方法。本项工作为MGFM在流固耦合问题中的应用提供了理论基础。(2) 构建耦合过程中基于MGFM技术的加速方法，在保证流体域和结构域计算同步性的前提下显著提升了计算效率。本项工作获得的加速技术具有普适性，同样适合于用MGFM技术处理其它流固耦合问题。(3) 编写基于MGFM技术的二维流体与梁/方板结构耦合的数值程序，研究水下爆炸强激波对结构冲击的演变及结构的动力响应过程。本项工作实现了MGFM在典型问题中的应用，为未来解决复杂工程问题提供了技术储备。(4) 实现等熵非定常空化流模型在耦合问题中的应用，研究水下爆炸板结构厚度和密度的变化对冲击载荷和空化演变的影响。本项工作阐明了材料属性对空化演变的影响规律，也为未来带空化演变问题的研究提供了解决方案。(5) 建立虚拟流体方法的设计原则，除了MGFM这种使用界面状态定义虚拟流体状态的方式，推导并证明其它虚拟流体状态的可行定义方式。本项工作可以指导基于MGFM技术的耦合算法的发展和改进。(6) 提出虚拟流体状态简单有效的定义方式，获得另一种实用的虚拟流体方法(PGFM)，最少借助一个界面自由度就可以精确定义虚拟流体状态。本项工作为流固耦合解耦技术的发展提供了理论支撑和技术途径。(7) 探讨界面附近误差的来源，结果表明这种非物理现象主要是单介质格式引起的，并非MGFM算法本身；并对流固相互作用时普遍采用的反射边界条件提出误差修正方式。本项工作对提高耦合问题中界面附近的求解精度具有指导意义。(8) 推广MGFM算法在三维流板耦合问题中的应用，解决MGFM从二维扩展到三维的关键问题，并模拟三维水下爆炸对板壳结构的冲击过程。本项工作为未来三维复杂问题的研究提供了技术保障。