多物理场耦合计算技术研究分析进展和发展趋势.pdfVIP

多物理场耦合技术的研究进展与发展趋势 上海力学学会计算力学专业委员会 同济大学航空航天与力学学院 胡振东 2009年11月17 日 1 内容提要 一、数值模拟技术及其应用 二、多物理场耦合模拟技术研究进展 三、多物理场耦合模拟技术面临的挑战 四、多物理场耦合模拟技术发展趋势 五、结语 2 一、数值模拟技术及其应用 数值计算在社会发展、经济建设和科学探索方面 取得巨大成功在于其强大的预测能力和对复杂物 理系统的模拟; 数学模型及其离散、计算机算法及实现是数值模 拟技术的核心； 计算分析软件交易市场兴旺，本身市值数十亿美 元，附加值数万亿美元 ;除产品开发外还用于医疗、 国防、及试验研究； 数值计算在认识自然现象和预测物理事件方面同 样有重要应用；如大气变化、海流、河水表面流、 地下石油储备、冰山和大陆板块运动等。 3 例：汽车碰撞数值模拟 可在毫秒量级详细研究车辆结构和乘客的安全性，优化设计，减少事故。 4 例：数值风洞模拟 5 例：切除动脉瘤手术数值模拟 用流体力学和流固耦合理论模拟手术过程血液流动，选择最佳手术方案。 6 例：地下石油流动、油气、水流过复杂多孔介质数值模拟 工程师解决无法搭建实验条件的情况下，数值模拟技 术的优势得以充分体现出来。 7 二、多物理场耦合模拟技术研究进展 早期的数值模拟主要关注于某个专业领域，比如 应力或疲劳，这与当时计算机的计算能力相对应 ，许多较复杂问题的数值模拟不可能完成； 物理现象都不是单独存在的，常见的耦合问题有 流-固耦合、电-热耦合、热-结构耦合、热-电- 结构耦合、声-结构耦合、流体-反应耦合、流 体-热耦合等； 计算机的发展为我们提供了更灵巧、更简洁而又 更快速的算法，强劲的硬件配置，使得对多物理 场的数值模拟成为可能； 8 二、多物理场耦合模拟技术研究进展 各种物理场现象都可以用（偏）微分方程来描述， 如热、电、力，多物理场的本质是（偏）微分方程 组； 数值模拟的本质是将（偏）微分方程组离散成代数 方程组，常见的方法有限差分方法（FDM）、有限 元方法（FEM）、有限体积法（FVM）； 在实用性、适用性以及扩展性方面，FEM方法具有 更大的优势，有限元的未来是多物理场耦合分析； 9 例：压电扩音器模拟