基于FLUENT嵌套网格的串列双圆柱涡激振动数值模拟

2017-01-13 by:CAE仿真在线来源:互联网

摘要:管束类结构的流固耦合振动在海洋工程、航天航空、核工程等领域中非常普遍。目前国内外学者针对涡激振动的研究主要采用CFD与CSD联合仿真的形式进行,在计算流体力学中不可避免的需要采用动网格模型进行求解计算,传统的动网格内省包括光顺、层铺与局部重构。本文采用fluent17.0版本的嵌套网格方法同时结合udf进行双圆柱涡激振动分析,通过分析表明,采用嵌套网格进行涡激振动分析方法可行。

1引言

管束类结构的流固耦合振动在海洋工程、航天航空、核工程等领域中非常普遍。运行经验和科学研究结果表明,流致振动是导致管道破裂失效的关键因素,由其导致的管道将会影响设备运行的可靠性。因此,对流体诱发的弹性管振动进行深入研究十分必要。本文采用双向耦合的方法结合fluent嵌套网格技术,同时考虑流体-结构两个物理场之间的相互作用,联合计算流体力学和计算结构力学建立管束的流固耦合振动模型,研究双弹性管的流固耦合振动。

2 数学模型

2.1 CFD模型

对于二维不可压缩的粘性牛顿流体的控制方程为N-S方程,在直角坐标系下,连续性方程为:

动量方程为:

本文利用嵌套网格进行计算分析,具体网格如图1-1-1所示,计算网格包含一套背景网格及两套圆柱区域网格。本文计算中背景网格区域大小为30D*60D;圆柱直径为D=0.0023878m,串列两圆柱中心距为2D。计算过程中,背景网格左侧为速度入口,右侧为压力出口,上下表面为对称面;component网格与backgroud网格通过overset边界条件进行连接。

2.2 流固耦合分析模型

圆柱的结构参数取为,m=0.003575kg,圆柱直径D=0.0023878m;密度为67.44kg/m^3,自振圆频率为44.08,结构刚度为69.47。

流固耦合作用时,其振动方程可写为:

其中Ft为流体对结构的力,采用四阶龙格库塔法进行离散求解得到每个时间步对应的圆柱运动速度和位移,并通过得到的速度和位移来控制圆柱的运动和网格的更新。采用全隐式格式来处理方程可以得到函数:

通过离散得到速度与质心位置的关系式;

上式中,K1、K2、K3、K4的表达式分别为:

考虑到计算是在时域内进行的,故给定初始条件如下:

本文考虑了串列两圆柱两自由度的涡激振动,对应需要利用以上方法求解两个圆柱x\y方向的速度与位移。

3 结果分析

图3-1给出了串列两圆柱不同时刻尾涡结构图,由图可知:两圆柱中心距为2D时,其尾涡结构与单圆柱扰流尾涡结构相当。

图3-2给出了串列两圆柱运动轨迹图,由图可知:在雷诺数为400,中心距为2D的情况下,串列两圆柱的运动轨迹存在一定的差别;在来流速度为0.166m/s的流速下,两圆柱在流向与横向发生大幅振动,圆柱1运动轨迹为“8”字形图,如图3-1a所示,同时阻力使圆柱往下游方向移动;上游圆柱的振幅大于下游圆柱的振幅。