基于FLUENT嵌套網格的串列雙圓柱渦激振動數值模擬

2017-01-13 by:CAE仿真在線來源:互聯網

摘要:管束類結構的流固耦合振動在海洋工程、航天航空、核工程等領域中非常普遍。目前國內外學者針對渦激振動的研究主要采用CFD與CSD聯合仿真的形式進行,在計算流體力學中不可避免的需要采用動網格模型進行求解計算,傳統的動網格內省包括光順、層鋪與局部重構。本文采用fluent17.0版本的嵌套網格方法同時結合udf進行雙圓柱渦激振動分析,通過分析表明,采用嵌套網格進行渦激振動分析方法可行。

1引言

管束類結構的流固耦合振動在海洋工程、航天航空、核工程等領域中非常普遍。運行經驗和科學研究結果表明,流致振動是導致管道破裂失效的關鍵因素,由其導致的管道將會影響設備運行的可靠性。因此,對流體誘發的彈性管振動進行深入研究十分必要。本文采用雙向耦合的方法結合fluent嵌套網格技術,同時考慮流體-結構兩個物理場之間的相互作用,聯合計算流體力學和計算結構力學建立管束的流固耦合振動模型,研究雙彈性管的流固耦合振動。

2 數學模型

2.1 CFD模型

對于二維不可壓縮的粘性牛頓流體的控制方程為N-S方程,在直角坐標系下,連續性方程為:

動量方程為:

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

2.2 流固耦合分析模型

圓柱的結構參數取為,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,結構剛度為69.47。

流固耦合作用時,其振動方程可寫為:

其中Ft為流體對結構的力,采用四階龍格庫塔法進行離散求解得到每個時間步對應的圓柱運動速度和位移,并通過得到的速度和位移來控制圓柱的運動和網格的更新。采用全隱式格式來處理方程可以得到函數:

通過離散得到速度與質心位置的關系式;

上式中,K1、K2、K3、K4的表達式分別為:

考慮到計算是在時域內進行的,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,對應需要利用以上方法求解兩個圓柱x\y方向的速度與位移。

3 結果分析

圖3-1給出了串列兩圓柱不同時刻尾渦結構圖,由圖可知:兩圓柱中心距為2D時,其尾渦結構與單圓柱擾流尾渦結構相當。

圖3-2給出了串列兩圓柱運動軌跡圖,由圖可知:在雷諾數為400,中心距為2D的情況下,串列兩圓柱的運動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生大幅振動,圓柱1運動軌跡為“8”字形圖,如圖3-1a所示,同時阻力使圓柱往下游方向移動;上游圓柱的振幅大于下游圓柱的振幅。