这篇文档属于类型a，是一篇关于流体-结构-热相互作用（Fluid-Structure-Thermal Interaction, FSTI）耦合算法的原创性研究论文。以下是针对该研究的学术报告：

流体-结构-热相互作用耦合算法研究：基于松散耦合与自适应非结构化网格

1. 作者与发表信息

本研究由Rainald Lohner（乔治梅森大学GMU/CSI）、Chi Yang、Juan Cebral、Joseph D. Baum（科学应用国际公司SAIC）、Hong Luo、Daniele Pelessone与Charles Charman（通用原子公司General Atomics）合作完成，发表于1998年American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA)的会议论文集，论文编号为AIAA-98-2419。

2. 学术背景

研究领域：本研究属于多物理场耦合计算领域，涉及计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）、计算结构动力学（Computational Structural Dynamics, CSD）和计算热力学（Computational Thermodynamics, CTD）的跨学科耦合。
研究动机：工业中许多关键问题（如爆炸膨胀、高超声速飞行、热应力疲劳等）需要同时考虑流体、结构和热场的相互作用。传统方法通过分步迭代（CFD→CTD→CSD）或假设解耦处理，存在效率低、信息丢失等问题。
研究目标：提出一种松散耦合算法（Loose Coupling Algorithm），在最小化修改现有CFD/CSD/CTD代码的前提下，实现高效、精确的多场耦合模拟。

3. 研究流程与方法

(1) 耦合算法设计

• 核心思想：将流体、结构、热场作为独立模块，通过“主表面”（Master-Surface）交换边界数据：
  
  • 结构表面主导位移和温度传递；
    
  • 流体表面主导载荷（压力、剪切力、热通量）传递。
    
• 数据传递方法：采用快速插值与投影算法（Fast Interpolation and Projection Algorithms）实现变量（位移、速度、温度、载荷）的跨场传递。
  
• 耦合策略：
  
  • 紧密耦合（Tight Coupling）：直接求解全耦合矩阵方程，但计算成本高且需重构代码；
    
  • 松散耦合（Loose Coupling）：迭代求解各场独立方程，通过主控代码同步数据交换，保留现有代码的模块化优势。
    

(2) 代码选择与适配

• CFD代码：选用FEFLO98（基于非结构化四面体网格，支持欧拉/纳维-斯托克斯方程、湍流模型及动网格ALE框架）。
  
• CSD代码：
  
  • 线性结构：COSMIC-NASTRAN（有限元法，支持模态分析与复合材料）；
    
  • 非线性结构：DYNA3D（显式动力学，支持大变形、断裂与接触算法）。
    
• CTD代码：与CSD共享网格，通过有限元法求解热传导方程。
  

(3) 关键技术开发

• 表面插值算法：处理CFD与CSD/CTD网格非匹配问题，提出加权残差法（Weighted Residual Method）保证载荷传递的守恒性。
  
• 自适应网格技术：针对大变形问题，开发自动重网格（Automatic Remeshing）与局部加密（h-Adaptive Refinement）功能。
  
• 并行计算优化：通过动态内存分配与网格重编号（Renumbering）提升计算效率。
  

(4) 验证案例

• 案例1：武器碎片化模拟
  
  • 耦合FEFLO98与DYNA3D，模拟爆炸导致的结构断裂（1200个碎片）；
    
  • 结果：成功捕捉流体压力波与结构速度场的动态耦合（图4-5）。
    
• 案例2：鼻锥热-结构耦合
  
  • 马赫数3.0的高超声速流动下，鼻锥的热变形与应力分布；
    
  • 结果：2次迭代即收敛，验证了算法的高效性（图6-7）。
    
• 案例3：可变形面板
  
  • 基于Thornton实验，模拟超音速流动（Ma=4.26）下面板的颤振与热响应（图8-9）。
    

4. 主要结果与逻辑关系

• 算法效率：松散耦合在保持精度的同时，显著降低计算成本（如鼻锥案例仅需2次迭代）。
  
• 守恒性验证：加权残差法确保载荷传递的守恒性（式12-18），误差低于传统插值方法。
  
• 多场协同：结构变形反馈至流体网格（通过自适应重网格），而流体载荷驱动结构响应，形成闭环耦合。
  

5. 结论与价值

• 科学价值：首次实现非线性流体-结构-热问题的全耦合模拟，为多物理场建模提供了通用框架。
  
• 应用价值：可直接应用于工业场景（如航空器气动弹性、爆炸防护设计），无需重写现有CFD/CSD/CTD代码。
  
• 方法论创新：松散耦合算法平衡了计算效率与代码复用性，自适应网格技术解决了大变形几何跟踪难题。
  

6. 研究亮点

• 算法创新：提出“主表面”数据交换策略，兼顾物理合理性与工程实用性。
  
• 技术整合：将成熟的商业代码（NASTRAN、DYNA3D）与自研CFD工具（FEFLO98）无缝耦合。
  
• 验证全面性：覆盖从稳态流动到瞬态冲击的多种复杂场景。
  

7. 其他价值

• 开源潜力：算法设计鼓励第三方代码接入，促进多学科协作。
  
• 扩展性：未来可拓展至电磁耦合（CEM）与多尺度问题（微-宏观物理耦合）。
  

该研究为复杂多物理场问题提供了高效解决方案，其方法论与代码实现策略对后续工业仿真软件发展具有深远影响。