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5 刘坤 - 应用力学学报

27 卷 3 期 应 用 力 学 学 报 Vol.27 No.3 2010 年9 月 CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS Sep.2010 文章编号 1000-4939 (20 10)03-0456-05 Ghost-Fluid Eulerian-Lagrangian 方法及其应用 刘坤 柏劲松 李平 (中国工程物理研究院 621900 绵阳) 摘要 考察了将独立的Euler 程序和Lagrange 程序通过Ghost Fluid 方法结合起来以处理流固耦合问 题的算法。在Euler 计算步中,采用基于物质界面建立的Level set 函数对被Lagrange 域覆盖的Euler 网格上的物理量进行外插,同时确保界面两侧压力和法向速度连续;而在Lagrange 计算步中,根据 界面所在Euler 网格压力确定界面各个节点的受力情况,从而确定Lagrange 单元的运动与变形。应 用这种方法对瞬时起爆爆轰产物作用于爆炸容器问题进行了计算分析,给出了流场演化及容器各关 键位置的超压与变形情况。计算表明,对长径比为2:1 的椭球封头爆炸容器最大超压及最大应变均 出现在封头顶部,这与封头顶部最易破坏的实际相符。 关键词: level set;GEL 算法;流固耦合;爆炸容器 中图分类号 O383.3 文献标识码 A ALE/Lagrangian 等。采用Eulerian/Lagrangian 耦合 1 引 言 方法时,一般利用level set[2-3]方法结合GFM(Ghost Fluid Method)[4-5]技术确定被固体覆盖的Euler 网格 对一类冲击载荷作用的流固耦合问题,流体和 物理量,Euler 域向Lagrange 边界传递压力信息, 固体介质本身的物理力学性质差别很大,其各自的 而Lagrange 边界向Euler 域传递速度信息,这种方 数学描述不同;同时,流体和固体介质中都会出现 法也称为GEL (Ghost-Fluid Eulerian-Lagrangian)方 物理量的间断问题,对数值求 方法要求较高。因 [6-7] 法 。理论上,Eulerian/Lagrangian 方法可以将 此求解这类问题时,需要对描述流体和固体的不同 意 Euler 和 Lagrange 算法耦合 起来 。对 数学模型和数值方法在流固界面进行耦合。目前, ALE/Lagrangian[8-9]方法,ALE 计算域与 Lagrange 常见的流固耦合技术有单一方法和混合方法。单一 计算域一般不重叠,在界面处交换压力和速度信息, 方法包括纯Euler[1]、纯Lagrange 和纯ALE(Arbitrary 同样地,这种方法常见于处理不可压或近似不可压 Lagrangian Eulerian)方法。纯 Euler 方法需要结合 问题。 VOF(Volume of Fluid)方法描述界面,在计算中不可 本文着重讨论 Eulerian/Lagrangian 耦合方法, 避免产生扩散,使得界面模糊。纯Lagrange 方法能 借助 GFM 方法实现 Euler 程序(MFPPM)[10-11]和 够准确确定物质界面,但随流体运动,其网格变形 Lagrange 程序(DEFEL)[12] 的耦合计算,该耦合计算 很大,往往使得时间步长急剧减小,甚至导致计算 克服了文献[13] 中所采用欧拉程序不能处理多介质 无法继续。纯ALE 方法对处理动边界和大变形问题 问题的不足及计算绕射激波与固壁作用出现非物理 上有一定优势,但多见于处理不可压或近似不可压 反射的错

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