一類流固耦合問題的數(shù)值算法及風(fēng)場(chǎng)中搖曳樹木的物理仿真.pdf

1、本文針對(duì)耦合作用發(fā)生在兩相交界面上的柔性結(jié)構(gòu)流固耦合問題,選擇兩種可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的數(shù)值算法進(jìn)行了研究并作出改進(jìn),使其能適用于風(fēng)場(chǎng)中搖曳樹木的物理仿真。進(jìn)而系統(tǒng)地提出了一種風(fēng)場(chǎng)中搖曳樹木的物理仿真方法,用該方法分別模擬了風(fēng)場(chǎng)中闊葉樹和無葉樹的搖曳,還將該方法應(yīng)用于風(fēng)場(chǎng)中搖曳樹木的基于物理的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫生成。 文中選擇任意拉格朗日-歐拉法(ALE法)和基于固定笛卡爾網(wǎng)格的切割單元法(CCC法)進(jìn)行深入研究。在ALE法方面,本文提出了一種

2、管道中活門運(yùn)動(dòng)的整體耦合模擬和網(wǎng)格處理方法,并使其可用于二維流場(chǎng)中樹葉周圍流場(chǎng)的模擬和樹葉阻力系數(shù)的計(jì)算。在CCC法方面,因原算法通常用于二維問題的模擬,在處理三維問題時(shí)因切割單元成型困難而較少采用。本文針對(duì)風(fēng)場(chǎng)中的闊葉樹運(yùn)動(dòng)模擬的需求,提出了通過適當(dāng)降低三維的CCC法求解精度而極大簡(jiǎn)化切割單元的成型過程的改進(jìn)方法,這不僅有效提高計(jì)算速度,而且使算法特別適用于風(fēng)場(chǎng)中搖曳樹木的仿真分析。 在改進(jìn)算法的基礎(chǔ)上,論文系統(tǒng)地提出了一種風(fēng)

3、場(chǎng)中搖曳樹木的物理仿真方法。該方法包括樹木有限元模型的生成、樹葉的材料特性和空氣動(dòng)力學(xué)特性的仿真模擬、將樹木分為闊葉樹和無葉樹兩種模式進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算,以及基于上述技術(shù)思路建立對(duì)風(fēng)場(chǎng)中的樹木流固耦合物理仿真的方法。該仿真模擬方法,首次提出了用虛擬殼結(jié)構(gòu)代替闊葉樹的樹冠的建模、考慮樹枝本身運(yùn)動(dòng)述度和流場(chǎng)中圓柱體上的脈動(dòng)渦脫作用力的雙向流固耦合模擬,以及材料參數(shù)的不對(duì)稱性會(huì)影響樹木的動(dòng)力學(xué)特性的假設(shè)和物理仿真與驗(yàn)證。 本文還將仿真分析

4、應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域,首次提出了基于模擬結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)的風(fēng)場(chǎng)中搖曳樹木基于物理的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的生成方法。針對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫數(shù)據(jù)量大和精度要求遠(yuǎn)低于工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn),提出了兩種有效方法：一種方法是用簡(jiǎn)化的單向耦合算法來代替雙向耦合算法,用人工阻尼代替雙向耦合算法的物理阻尼來對(duì)單向耦合算法進(jìn)行修正,使得簡(jiǎn)化的單向耦合模擬的結(jié)果更接近雙向耦合算法的模擬結(jié)果；另一種方法是虛擬材料法,通過虛擬地改變材料參數(shù)來加快動(dòng)力學(xué)有限元顯式求解的速度。采用了上述兩種方