耦合计算流体动力学-等几何分析（CFD-IGA）的流固耦合求解器用于自由液面冲击应用

《Journal of Fluids and Structures》：A coupled CFD-IGA fluid-structure interaction solver for free surface impact applications

　　

研究人员开发了一种耦合计算流体动力学-等几何分析（computational fluid dynamics-isogeometric analysis，CFD-IGA）框架，用于模拟涉及复杂自由液面流动的水弹性流固耦合（fluid-structure interaction，FSI）问题。流体流动采用有限体积求解器OpenFOAM求解，结构响应采用等几何分析求解器G+Smo计算。流体域与结构域之间的耦合通过preCICE接口实现，可进行双向分区式FSI模拟。研究人员考察了若干基准算例以评估所提框架的准确性与鲁棒性。溃坝冲击算例表明该求解器能够捕捉高度瞬态的自由液面演化及由此产生的脉冲式结构响应。经典的Turek-Hron FSI2与FSI3算例用于验证涡致振动预测并在强附加质量效应下评估数值稳定性。此外，研究人员还考察了带自由液面的改进Turek-Hron构型，以研究涡脱落、结构运动与多相流动动力学之间的相互作用。另外，规则波激励下弹性浮板的水弹性响应也被模拟，以进一步验证该框架的预测能力。结果表明，所提出的CFD-IGA框架能够准确捕捉涉及自由液面冲击、涡致振动与波-结构相互作用的复杂水弹性现象，该FSI求解器为海洋与海岸工程中的水弹性问题研究提供了一种鲁棒且高效的数值工具。

研究背景方面，自由液面冲击现象广泛存在于海上飞机水上降落、溃坝、高速船舶波浪砰击以及波浪能装置运行等海洋与航空工程场景中。这类事件具有强非线性水动力、大压力梯度、剧烈自由液面变形和流固间快速动量传递等特征，因此准确预测瞬态流固耦合响应对于结构安全与工程设计十分关键。现有方法里，常规CFD-FEM框架已被大量使用，光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics，SPH）等无网格方法也可处理大界面变形，但无网格方法计算成本高且边界处理困难；而等几何分析（isogeometric analysis，IGA）虽在结构建模中具有样条基函数高阶连续、贴近CAD几何、减少网格生成工作量等优势，但既有IGA-FSI研究多集中于单相流或较简单流动，面向剧烈自由液面冲击与多相流的研究仍有限。为此，研究人员将有限体积法（finite volume method，FVM）的多相流求解器OpenFOAM与IGA结构求解器G+Smo通过preCICE耦合，构建分区式CFD-IGA水弹性FSI框架。

主要关键技术方法上，研究人员采用OpenFOAM 2306中的overInterDyMFoam求解不可压两相流，用体积分数法（volume-of-fluid，VOF）追踪水-空气界面，用重叠网格（overset mesh）处理结构运动；结构侧用G+Smo进行IGA薄板/梁弯曲主导响应求解；流固数据交换由preCICE完成，形成双向分区耦合。研究算例包括静水柱作用于弹性板、溃坝冲击弹性板、Turek-Hron FSI2/FSI3、带自由液面Turek-Hron改型以及规则波作用弹性浮板。

研究结果部分，摘要与引言指出，该框架可捕捉自由液面冲击、涡致振动与波-结构相互作用。第1节引言说明自由液面冲击问题工程背景、CFD-FEM与SPH等现状、IGA优势及本研究动机。第2节数值模型显示：2.1流体求解器中，控制方程为不可压Navier-Stokes方程，ρ为混合密度、μ为动力黏度、p为压力、S为附加体积力与源项；VOF方法中C=1为纯水、C=0为纯空气，混合属性按C体积加权，水密度1025 kg/m³、空气1 kg/m^{3，水动力黏度1.025×10-3 Pa·s、空气1.48×10-5 Pa·s；重叠网格由固定背景网格与随结构位移运动的贴体网格组成。}

讨论与结论部分，研究人员通过基准与工程算例得出结论：溃坝冲击算例证明框架可捕捉高度瞬态自由液面演化与脉冲结构响应；Turek-Hron FSI2/FSI3验证其对涡致振动的预测能力及强附加质量效应下的稳定性；带自由液面Turek-Hron构型揭示涡脱落、结构运动与多相流相互作用；规则波下弹性浮板算例进一步验证波-结构水弹性预测能力。论文结论为：所开发的耦合CFD-IGA求解器能够准确捕捉涉及自由液面冲击、涡致振动和波-结构相互作用的复杂水弹性现象，并为海洋与海岸工程中的水弹性流固耦合问题提供一种鲁棒且高效的数值工具；部分求解器代码已开源。该文发表于《Journal of Fluids and Structures》。