基于OpenFOAM的矩形断面涡激振动数值模拟

发布时间：2019-08-05 17:21

【摘要】：针对结构涡激振动数值模拟问题,以开源流体动力学计算软件OpenFOAM 3.0为平台建立结构涡激振动数值模拟方法,即将结构涡激振动问题简化为单自由度振子模型,采用Newmark-β法进行结构振动方程求解,应用OpenFOAM动网格求解器进行动网格计算与更新。以宽高比为5的矩形断面为例,首先采用3种不同的雷诺平均(RANS)湍流模型(即SST k-ω,k-ε和k-ω模型)进行风攻角为a=0°,2°,4°,6°时静止绕流计算,以检验不同湍流模型的计算精度;然后对矩形断面在0°风攻角下竖向涡振响应进行了数值模拟,并与已有文献和试验结果进行比较。研究表明:3种湍流模型的计算结果总体较为接近,且与试验结果较为吻合,其中SST k-ω湍流模型的计算结果与试验结果吻合相对最好;对于升力系数和升力矩系数,3种湍流模型的计算结果都与试验结果存在一定的差异;总体而言采用OpenFOAM的SST k-ω湍流模型所得静止矩形断面绕流计算结果与试验结果吻合较好。矩形断面涡激振动响应数值模拟结果与试验结果相比锁定风速区间有一定前移,且最大涡振振幅较试验结果略偏大。
【图文】：

第10期王林凯，等:基于OpenFOAM的矩形断面涡激振动数值模拟1.2流固耦合计算方法将矩形断面竖向涡激振动简化为弹性支承单自由度振子模型，如图1所示。对应的结构振动控制方程为:y··(t)+2ξhωhy·(t)+ω2hy(t)=FL(t)/m，(3)式中，y(t)，y·(t)，y··(t)分别为t时刻时结构竖向振动位移、速度和加速度;ξh为弹性支承结构竖向振动系统阻尼比;ωh为弹性支承结构竖向振动系统圆频率;m为单位长度结构质量;FL(t)为时刻t对应的单位长度结构所受到的升力。图1结构涡激振动模型Fig.1Vortex-inducedvibrationmodelofstructure采用OpenFOAM中的动网格求解更新器sixDoFRigidMotion进行动网格计算与更新，，选择Newmark-β法进行结构涡激振动方程求解，获得结构振动位移、速度等，然后通过拉普拉斯扩散法来改变网格中的点坐标场从而实现网格更新，即:鄀·(γ(r)·鄀d)=0，(4)式中，d为单元中心点的位移场;r为网格中心与运动边界的距离;γ(r)为关于r的函数，一般采取线性插值的方式取值。2静止绕流数值模拟2.1计算域及网格取矩形断面宽为B=600mm，高为H=120mm。选取计算域为30B×20B的矩形计算域进行计算，如图2计算域所示。计算域边界条件为:左侧、下侧图2计算域及边界条件Fig.2Computationaldomainandboundaryconditions为入口条件(Inlet)，右侧和上侧为出口条件(Outlet)，矩形断面为无滑移壁面条件(Wall)。采用分块思路进行网格划分，所有网格均设为四边形网格，网格增长比率控制在1.1以内，首层网格厚度参考文献［8］拟为0.001B。整体与局部网格如图3所示。图3矩形断面网格Fig.3Meshofrectangularsection利用OpenFOAM中网格质量检验工具checkMesh进行检测，该网格的网格数?

基于OpenFOAM的矩形断面涡激振动数值模拟

ucedvibrationmodelofstructure采用OpenFOAM中的动网格求解更新器sixDoFRigidMotion进行动网格计算与更新，选择Newmark-β法进行结构涡激振动方程求解，获得结构振动位移、速度等，然后通过拉普拉斯扩散法来改变网格中的点坐标场从而实现网格更新，即:鄀·(γ(r)·鄀d)=0，(4)式中，d为单元中心点的位移场;r为网格中心与运动边界的距离;γ(r)为关于r的函数，一般采取线性插值的方式取值。2静止绕流数值模拟2.1计算域及网格取矩形断面宽为B=600mm，高为H=120mm。选取计算域为30B×20B的矩形计算域进行计算，如图2计算域所示。计算域边界条件为:左侧、下侧图2计算域及边界条件Fig.2Computationaldomainandboundaryconditions为入口条件(Inlet)，右侧和上侧为出口条件(Outlet)，矩形断面为无滑移壁面条件(Wall)。采用分块思路进行网格划分，所有网格均设为四边形网格，网格增长比率控制在1.1以内，首层网格厚度参考文献［8］拟为0.001B。整体与局部网格如图3所示。图3矩形断面网格Fig.3Meshofrectangularsection利用OpenFOAM中网格质量检验工具checkMesh进行检测，该网格的网格数量为33611，网格最大畸变角为34.57°，网格最大畸变率为0.61。网格畸变率和近壁面渐变率符合Bakker的建议值，即四边形网格最大畸变不得超过0.85，近壁面渐变率不得超过1.2［21］。2.2边界条件与离散格式设置入口边界(Inlet)为速度入口，风速绝对值取5.4m/s，其分量值根据不同的角度进行换算。湍流强度取为0.5%，湍流黏性比取10%，雷诺数为4.4×104(以断面高度为参考尺寸)。OpenFOAM中入口处湍流特性值按Saxena的建议［22］计算:k=32(I·U)2，(5)ω=0.09kβν，(6)ε=0.09k2βν，(7)59
【作者单位】：湖南大学风工程与桥梁工程湖南省重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金项目(51178181,51478180)
【分类号】：U441.3

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