基于FLUENT嵌套網(wǎng)格的串列雙圓柱渦激振動(dòng)數(shù)值模擬

2017-01-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:管束類結(jié)構(gòu)的流固耦合振動(dòng)在海洋工程、航天航空、核工程等領(lǐng)域中非常普遍。目前國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)渦激振動(dòng)的研究主要采用CFD與CSD聯(lián)合仿真的形式進(jìn)行,在計(jì)算流體力學(xué)中不可避免的需要采用動(dòng)網(wǎng)格模型進(jìn)行求解計(jì)算,傳統(tǒng)的動(dòng)網(wǎng)格內(nèi)省包括光順、層鋪與局部重構(gòu)。本文采用fluent17.0版本的嵌套網(wǎng)格方法同時(shí)結(jié)合udf進(jìn)行雙圓柱渦激振動(dòng)分析,通過分析表明,采用嵌套網(wǎng)格進(jìn)行渦激振動(dòng)分析方法可行。

1引言

管束類結(jié)構(gòu)的流固耦合振動(dòng)在海洋工程、航天航空、核工程等領(lǐng)域中非常普遍。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)研究結(jié)果表明,流致振動(dòng)是導(dǎo)致管道破裂失效的關(guān)鍵因素,由其導(dǎo)致的管道將會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行的可靠性。因此,對(duì)流體誘發(fā)的彈性管振動(dòng)進(jìn)行深入研究十分必要。本文采用雙向耦合的方法結(jié)合fluent嵌套網(wǎng)格技術(shù),同時(shí)考慮流體-結(jié)構(gòu)兩個(gè)物理場之間的相互作用,聯(lián)合計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)建立管束的流固耦合振動(dòng)模型,研究雙彈性管的流固耦合振動(dòng)。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 CFD模型

對(duì)于二維不可壓縮的粘性牛頓流體的控制方程為N-S方程,在直角坐標(biāo)系下,連續(xù)性方程為:

動(dòng)量方程為:

本文利用嵌套網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算分析,具體網(wǎng)格如圖1-1-1所示,計(jì)算網(wǎng)格包含一套背景網(wǎng)格及兩套圓柱區(qū)域網(wǎng)格。本文計(jì)算中背景網(wǎng)格區(qū)域大小為30D*60D;圓柱直徑為D=0.0023878m,串列兩圓柱中心距為2D。計(jì)算過程中,背景網(wǎng)格左側(cè)為速度入口,右側(cè)為壓力出口,上下表面為對(duì)稱面;component網(wǎng)格與backgroud網(wǎng)格通過overset邊界條件進(jìn)行連接。

2.2 流固耦合分析模型

圓柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)取為,m=0.003575kg,圓柱直徑D=0.0023878m;密度為67.44kg/m^3,自振圓頻率為44.08,結(jié)構(gòu)剛度為69.47。

流固耦合作用時(shí),其振動(dòng)方程可寫為:

其中Ft為流體對(duì)結(jié)構(gòu)的力,采用四階龍格庫塔法進(jìn)行離散求解得到每個(gè)時(shí)間步對(duì)應(yīng)的圓柱運(yùn)動(dòng)速度和位移,并通過得到的速度和位移來控制圓柱的運(yùn)動(dòng)和網(wǎng)格的更新。采用全隱式格式來處理方程可以得到函數(shù):

通過離散得到速度與質(zhì)心位置的關(guān)系式;

上式中,K1、K2、K3、K4的表達(dá)式分別為:

考慮到計(jì)算是在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行的,故給定初始條件如下:

本文考慮了串列兩圓柱兩自由度的渦激振動(dòng),對(duì)應(yīng)需要利用以上方法求解兩個(gè)圓柱x\y方向的速度與位移。

3 結(jié)果分析

圖3-1給出了串列兩圓柱不同時(shí)刻尾渦結(jié)構(gòu)圖,由圖可知:兩圓柱中心距為2D時(shí),其尾渦結(jié)構(gòu)與單圓柱擾流尾渦結(jié)構(gòu)相當(dāng)。

圖3-2給出了串列兩圓柱運(yùn)動(dòng)軌跡圖,由圖可知:在雷諾數(shù)為400,中心距為2D的情況下,串列兩圓柱的運(yùn)動(dòng)軌跡存在一定的差別;在來流速度為0.166m/s的流速下,兩圓柱在流向與橫向發(fā)生大幅振動(dòng),圓柱1運(yùn)動(dòng)軌跡為“8”字形圖,如圖3-1a所示,同時(shí)阻力使圓柱往下游方向移動(dòng);上游圓柱的振幅大于下游圓柱的振幅。

圖3-3給出了串列兩圓柱的生阻力系數(shù)時(shí)程曲線,由圖可知:t=2s后,兩圓柱的組升力系數(shù)均呈現(xiàn)周期性變化,上游圓柱阻力系數(shù)大于下游圓柱阻力系數(shù);下游圓柱升力系數(shù)振動(dòng)幅值大于上游圓柱升力系數(shù)振動(dòng)幅值。

4 結(jié)論

通過上文利用fluent嵌套網(wǎng)格結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格模型對(duì)二維串列圓柱渦激振動(dòng)的分析可知:

通過上文利用fluent嵌套網(wǎng)格結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格模型對(duì)二維串列圓柱渦激振動(dòng)的分析可知:采用嵌套網(wǎng)格進(jìn)行流固耦合的模擬該方法可行,考慮到嵌套網(wǎng)格自身的特點(diǎn),計(jì)算過程中不涉及網(wǎng)格的重構(gòu),不涉及網(wǎng)格變形,相比其他動(dòng)網(wǎng)格方法其計(jì)算速度更快,模型網(wǎng)格量越大效果越明顯;

附,udf文件