柔性多体薄壁结构的大变形流固耦合并行算法研究

Numerical studies of fluid structure interaction (FSI) for flexible thin-walled structures have wide application background in marine engineering such as flutter of the fan blades and the self-propelled biomimetic robot fish. Salient challenges of existed numerical methods are complex treatments of large-deformation thin boundaries, low precision of data transfer in the coupled interfaces, and enormous computation. Earlier, we proposed a raidal basis function based ghost cell method to simulate the complex rigid boundaries interacting with the fluid. Further, this project aims to develop a computational method of large-deformation FSI for flexible thin-walled structures. First, the radial basis function based ghost cell method is extended to treat the flexible moving boundaries in the fluid. Then, an absolute nodal coordinate formulation based finite element solver is developed to predict large displacement, large-deformation responses of flexible structures. Last, a flexible interface point redistribution method is proposed to transfer data between mismatched meshes. Also, the OpenACC/OpenMP hybrid programming framework is used to develop the parallel algorithm. Consequently, a efficient computation program for FSI is formed. We expect to simulate flow induced oscillation of thin-walled structures, and to reveal hydrodynamic coupling mechanism between the marine thin-walled structures and the flow field. Hopefully, the developed method and program can provide numerical analysis tool and technical support for the design of marine structures and performance optimization such as the biomimetic thruster.

柔性多体薄壁结构的流固耦合数值研究在海洋工程等领域具有广泛的应用背景，如海上风机叶片的颤振以及仿生机器鱼的自主游动。已有数值方法存在的突出挑战是大变形薄壁边界处理复杂、耦合界面数据传递精度低和计算量浩繁。前期，我们提出了径向基函数虚拟网格法模拟复杂刚性边界的流固耦合相互作用问题，本项目拟进一步发展针对柔性多体薄壁结构的大变形流固耦合数值方法。首先，将径向基函数虚拟网格法扩展到处理流场中的任意柔性多体动边界；然后，开发柔性多体大位移、大变形动力响应预报的绝对节点坐标有限元法；最后，提出柔性界面质点重构方法传递非匹配网格之间数据，并采用OpenACC/OpenMP混编语言开发并行算法。进而，形成一套高效的流固耦合计算程序，模拟多体薄壁结构物的流致振荡问题，揭示海洋柔性薄壁结构与流场的耦合作用机理，为仿生推进器等海洋结构物的设计和性能优化提供数值分析手段和技术支持。

柔性多体薄壁结构的流固耦合数值研究在海洋工程等领域具有广泛的应用背景，如海上风机叶片的颤振以及仿生机器鱼的自主游动。本项目针对海洋工程中柔性多体薄壁结构物的大变形流固耦合问题，通过研究复杂多体结构在流场中的描述方法、柔性多体系统动力学建模和耦合界面的数据传递方法三方面关键问题，突破传统动网格方法对于复杂网格生成的局限，提出一个基于CPU-GPU异构系统的直角网格流固耦合并行方法。本项目主要工作如下：（1）通过发展一个隐式界面表示方法和八节点插值模板的界面重构格式，改进了三维虚拟网格法，以处理流场中的任意复杂动边界甚至薄壁或凹形边界，为了处理大变形的柔性动边界，引入了多步直接力浸入边界法；（2）开发了基于绝对结点坐标有限元方法的梁板模型，以预报柔性多体的大位移、大变形动力响应；（3）发展了一个网格细化和异步推进策略以便进行非匹配网格之间的数据传递，并放松流固耦合系统的数值刚性约束；（4）开发了基于CPU-GPU异构系统的流固耦合并行计算程序，相比串行程序获得上百倍的加速比。所提出的数值模型有能力模拟流场中柔性薄壁多体结构物的大位移、大变形动力响应特性，以及三维复杂结构物的自由表面砰击问题。基于该模型，模拟了单个和两个柔性薄壁结构的二维流致振荡特性，研究了不同刚性、密度和间距下的水动力耦合作用机制。在本项目研究期限内发表SCI论文8篇（包括中科院二区或以上论文4篇），EI论文1篇，参加学术会议3次，发表会议论文2篇，受理发明专利1项，授权软件著作权1项，培养研究生3人。