一种基于浸没边界-大涡模拟的降落伞流固耦合计算方法

降落伞充气过程涉及复杂的流固耦合（fluid-structure interaction, FSI）现象,浸没边界（immersed boundary, IB）方法作为一种边界非协调方法,适合处理这种非线性大变形FSI问题。将Mittal等提出的尖锐界面IB方法与大涡模拟（large eddy simulation, LES）相结合（LES/IB）,应用于中高雷诺数（Re）降落伞绕流的模拟。在此基础上,结合非线性有限元方法,建立了一种基于适合复杂外形非均匀湍流的动态Vreman亚格子（Vreman subgrid-scale, Vreman SGS）模型的FSI方法,用于模拟降落伞充气过程。最后,通过经典的圆柱绕流算例（Re = 3900）验证所发展的LES/IB方法的准确性。结果表明,LES/IB方法对平均阻力系数（$\bar C_D $）、后缘点平均背压系数（$-\bar C_{p,\rm b} $）和斯特劳哈尔数（St）的计算结果与直接数值模拟、LES和实验结果吻合较好,误差均低于8%。此外,利用发展的Vreman SGS模型对典型的圆伞和十字伞充气过程中的气动性能和结构响应进行了分析,并与Smagorinsky SGS模型进行了对比。结果表明,在降落伞充气呼吸阶段,两者对阻力系数和投影面积的计算结果吻合较好,相对误差均在5%以内,验证了本文FSI方法的可靠性。