[发明专利]一种海洋环境下鱼群运动的流固耦合模拟方法

说明书

本发明公开了一种海洋环境下鱼群运动的流固耦合模拟方法，可用于解决体积小但数量多的鱼群在大尺度流场下的运动与对流场的影响。本发明采用了有限元建立流场，将流场中的小固体视为一个有坐标、速度、加速度属性的点，通过集中参数法确定流场对该固体的作用力，同时该力反馈到流场中为该固体点所处有限元的附加力，从而实现流固耦合。本发明针对的是流场区域远大于固体尺寸的情况，避免了传统流固耦合中对固体建模的部分，同时实现了流固耦合的动态响应，极大的节省了计算量和建模难度。

技术领域

本发明属于流体分析领域，涉及流场仿真和集中参数法建模，尤其涉及一种海洋环境下鱼群运动的流固耦合模拟方法。

背景技术

流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流体运动，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。

耦合求解过程的核心是计算带有移动边界和移动网格的非定常流动问题，这是因为流动域的大小和形状随着结构的移动或变形在不断变化着。同时，正由于耦合系统中混合了线性和非线性问题，存在了对称和非对称矩阵，包括了显性和隐性的耦合机理，并且出现了物理不稳定条件，使得耦合问题求解十分困难。根据不同的耦合边界处理方法，流固耦合求解方法主要分为两类：浸入边界法(Immersed Boundary Method)和动边界法(MovingBoundary Method)。

在海洋中的固体如鱼群，其特殊性在于，几何尺寸相较于要研究的海域来说可以忽略不计，但本身较多的数量却又使得计算流场时无法忽略其对流场的影响。

传统的动边界法将此类物体视为多孔稀疏介质，但此种方法将大量小物体等效为一个具有特定形状的固体，限制了固体的相对位置需要紧密靠近且不能有较大变化，各处稀疏性系数也无法更改，并不能反映实际情况。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种海洋环境下鱼群运动的流固耦合模拟方法。本发明采用了有限元建立流场，将流场中的鱼群视为一个有坐标、速度、加速度属性的点，通过集中参数法确定流场对该物体的作用力，同时该力反馈到流场中为该固体点所处有限元的附加力，从而实现流固耦合。本发明针对的是流场区域远大于固体尺寸的鱼群，避免了传统流固耦合中对固体建模的部分，同时实现了流固耦合的动态响应，极大的节省了计算量和建模难度。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种海洋环境下鱼群运动的流固耦合模拟方法，包括如下步骤：

1)以海洋环境为流场，以鱼群为固体点，建立流场模型和固体运动模型，并初始化；

所述的流场模型中各有限元属性包括Ele＝{Lnct,Led,EVol,Mstat}，构成有限元的顶点属性包括Po＝{PX,PVol,U,Pre,T}；其中，Ele表示有限元的属性集合，Lnct是有限元顶点编号的集合，Led是与该有限元有共用面的相邻有限元编号的集合，EVol是有限元的体积，Mstat是用于搜索固体点所在有限元时是否搜索过该有限元的判定；PX表示顶点的位置坐标，PVol表示该顶点占有的体积，U表示顶点在三个方向上的速度，Pre表示顶点的压强，T表示顶点的温度；

所述的固体运动模型中各固体点的属性包括Co＝{Loc,CX,Cm,CVol,CU}；其中，Co表示固体点的属性集合，Loc为固体点所在有限元的编号，CX为固体点的坐标，Cm为固体点的质量，CVol为固体点的体积，CU为固体点的速度；