涡激诱导并列双圆柱碰撞数值模拟研究
发布时间：2021-02-02 15:27
圆柱类结构物的涡激振动是工程中较为常见的一种现象,如果圆柱结构物之间的距离较小,就会产生涡激诱导碰撞现象,而涡激碰撞会比涡激振动对结构物疲劳破坏产生更严重的威胁.采用浸入边界法模拟流体中的动边界问题,避免了传统贴体网格方法在求解流体中存在固体间碰撞问题时出现数值求解不稳定问题,采用有限元方法对圆柱的运动和碰撞进行求解,通过数据回归方法建立了流体流动条件下的润滑模型,对不同间隙比下涡激诱导并列双圆柱振动及碰撞过程进行了数值模拟,数值结果表明,如果两圆柱产生了碰撞将会有连续的碰撞发生,碰撞时出现了多阶频率,振动主频率要比无碰撞时大,两圆柱碰撞时的相对速度比自由来流速度小;当两圆柱相互接近时,随着涡环分离角度的逐渐倾斜,横向流体力先逐渐减小,当两圆柱间涡环开始相互影响发生挤压时,横向流体力开始逐渐增大;当两圆柱开始反弹时,两圆柱间形成了低压区,改变了横向流体阻力的方向,使两圆柱又产生了接近运动,如此反复从而产生了碰撞后横向流体力和圆柱速度的振荡现象.
【文章来源】：力学学报. 2019,51(06)北大核心
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
清晰界面浸入边界法示意图
在黏性流体中当一个物体以有限的相对速度接近另一个物体或壁面时,物体将会受到润滑力的影响[26],当两物体间隙不大于δ?x时,由于存在多个浸入边界,使得浸入边界间缺乏流体网格分辨率,传递边界参数的插值方程无法建立,不能够准确计算此时的润滑力,如图2所示.而在黏性流体中固体与固体碰撞的模拟中,考虑润滑力的影响对计算真实的碰撞速度和反弹速度具有重要意义[27].对于物体与固定壁面碰撞问题,由于可以提前预测碰撞位置为固定壁面处,可以借助于过度的网格细化来弥补此问题[23],而对于两物体或多个物体在黏性流体中碰撞位置不确定的情况,如采用过度的网格细化将会给计算量带来巨大的额外增加,文献[27–29]采用的一种方法是保持网格固定,并使用基于Stokes流动中润滑力解析解的渐近展开的润滑模型来补偿这种缺乏空间网格分辨率情况,对静止流体中的颗粒碰撞问题进行了数值模拟,但在实际问题中流体通常是流动的,所以需建立一种新的适用于有流体流动条件下的润滑模型.润滑理论表明,由于固体间碰撞时间隙δ趋于零,润滑力将趋于无穷大,致使理想的光滑物体不会达到实际的固固接触,但实际中在润滑效应变得非常重要之前,两物体可通过壁面的粗糙度δ?而产生接触碰撞.在两物体接触过程中润滑力的最重要分量是沿两固体中心连线的挤压力,因为它的主导项是1/δ,而平移剪切力和旋转剪切力的主导项是发散较慢的lnδ[30],因此本文仅对润滑力的法向挤压力进行修正.润滑模型示意图如图3所示,参照Stokes流动中润滑模型的表达式[31],本文建立了两圆柱相互接近时法向润滑力系数CLn的表达式为
式中,Vi j,n为两圆柱相互接近时法向的相对速度;Li为圆柱体的长度;绕流雷诺数为ReVi=ρDiVi/μ,其中Vi为圆柱相对流体的运动速度;δ?一般由固体表面的绝对粗糙度和碰撞临界状态来确定,δ?越小越不容易产生碰撞,为了能够产生碰撞取δ?=0.001D,并在δ?以下取CLn的值为δ=δ?时的值.δ?x的值可以通过模拟两圆柱相互接近来确定为减小计算量,本文采用圆柱附近?x=?y=0.02D网格大小模拟两圆柱的相互接近过程,并进一步在两圆柱中间采用平滑过渡方法进行局部网格加密,第一层网格高度为h,增长率为1.1,图4为h=0.001D时的计算网格,图5为两圆柱在无背景流速时以相同恒定速度0.5 m/s相互接近接触,不同h工况下圆柱的法向润滑力系数CLn随间隙δ的变化,由图中可以看出在δ>0.04D时,即两圆柱间有两个以上的完整流体单元,不同h工况下CLn基本一致;当δ0.04D时不同h下CLn差别较明显,表明在?x=?y=0.02D网格大小下δ?x为0.04D,并且随着h的减小,CLn在接触时呈现逐渐增大的趋势,也与润滑理论相吻合.
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于浸入边界-有限元法的流固耦合碰撞数值模拟方法[J]. 杨明,刘巨保,岳欠杯,丁宇奇,姚利明. 应用数学和力学. 2019(08)
[2]不同控制角下附加圆柱对圆柱涡激振动影响[J]. 陈威霖,及春宁,许栋. 力学学报. 2019(02)
[3]错列角度对双圆柱涡激振动影响的数值模拟研究[J]. 段松长,赵西增,叶洲腾,王凯鹏. 力学学报. 2018(02)
[4]不同剪切率来流作用下柔性圆柱涡激振动数值模拟[J]. 及春宁,花阳,许栋,邢国源,陈威霖. 力学学报. 2018(01)
[5]并列双圆柱流致振动的不对称振动和对称性迟滞研究[J]. 陈威霖,及春宁,徐万海. 力学学报. 2015(05)
硕士论文
[1]圆柱耐压结构碰撞响应研究[D]. 朱帅帅.江苏科技大学 2019
[2]船舶碰撞过程中的附加质量研究[D]. 张娅.武汉理工大学 2016
[3]低雷诺数下并列圆柱涡激振动的数值模拟及其机理研究[D]. 刘爽.天津大学 2014
[4]二维串并列圆柱绕流与涡致振动研究[D]. 陈文曲.浙江大学 2005
本文编号：3014929
【文章来源】：力学学报. 2019,51(06)北大核心
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
清晰界面浸入边界法示意图
在黏性流体中当一个物体以有限的相对速度接近另一个物体或壁面时,物体将会受到润滑力的影响[26],当两物体间隙不大于δ?x时,由于存在多个浸入边界,使得浸入边界间缺乏流体网格分辨率,传递边界参数的插值方程无法建立,不能够准确计算此时的润滑力,如图2所示.而在黏性流体中固体与固体碰撞的模拟中,考虑润滑力的影响对计算真实的碰撞速度和反弹速度具有重要意义[27].对于物体与固定壁面碰撞问题,由于可以提前预测碰撞位置为固定壁面处,可以借助于过度的网格细化来弥补此问题[23],而对于两物体或多个物体在黏性流体中碰撞位置不确定的情况,如采用过度的网格细化将会给计算量带来巨大的额外增加,文献[27–29]采用的一种方法是保持网格固定,并使用基于Stokes流动中润滑力解析解的渐近展开的润滑模型来补偿这种缺乏空间网格分辨率情况,对静止流体中的颗粒碰撞问题进行了数值模拟,但在实际问题中流体通常是流动的,所以需建立一种新的适用于有流体流动条件下的润滑模型.润滑理论表明,由于固体间碰撞时间隙δ趋于零,润滑力将趋于无穷大,致使理想的光滑物体不会达到实际的固固接触,但实际中在润滑效应变得非常重要之前,两物体可通过壁面的粗糙度δ?而产生接触碰撞.在两物体接触过程中润滑力的最重要分量是沿两固体中心连线的挤压力,因为它的主导项是1/δ,而平移剪切力和旋转剪切力的主导项是发散较慢的lnδ[30],因此本文仅对润滑力的法向挤压力进行修正.润滑模型示意图如图3所示,参照Stokes流动中润滑模型的表达式[31],本文建立了两圆柱相互接近时法向润滑力系数CLn的表达式为
式中,Vi j,n为两圆柱相互接近时法向的相对速度;Li为圆柱体的长度;绕流雷诺数为ReVi=ρDiVi/μ,其中Vi为圆柱相对流体的运动速度;δ?一般由固体表面的绝对粗糙度和碰撞临界状态来确定,δ?越小越不容易产生碰撞,为了能够产生碰撞取δ?=0.001D,并在δ?以下取CLn的值为δ=δ?时的值.δ?x的值可以通过模拟两圆柱相互接近来确定为减小计算量,本文采用圆柱附近?x=?y=0.02D网格大小模拟两圆柱的相互接近过程,并进一步在两圆柱中间采用平滑过渡方法进行局部网格加密,第一层网格高度为h,增长率为1.1,图4为h=0.001D时的计算网格,图5为两圆柱在无背景流速时以相同恒定速度0.5 m/s相互接近接触,不同h工况下圆柱的法向润滑力系数CLn随间隙δ的变化,由图中可以看出在δ>0.04D时,即两圆柱间有两个以上的完整流体单元,不同h工况下CLn基本一致;当δ0.04D时不同h下CLn差别较明显,表明在?x=?y=0.02D网格大小下δ?x为0.04D,并且随着h的减小,CLn在接触时呈现逐渐增大的趋势,也与润滑理论相吻合.
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于浸入边界-有限元法的流固耦合碰撞数值模拟方法[J]. 杨明,刘巨保,岳欠杯,丁宇奇,姚利明. 应用数学和力学. 2019(08)
[2]不同控制角下附加圆柱对圆柱涡激振动影响[J]. 陈威霖,及春宁,许栋. 力学学报. 2019(02)
[3]错列角度对双圆柱涡激振动影响的数值模拟研究[J]. 段松长,赵西增,叶洲腾,王凯鹏. 力学学报. 2018(02)
[4]不同剪切率来流作用下柔性圆柱涡激振动数值模拟[J]. 及春宁,花阳,许栋,邢国源,陈威霖. 力学学报. 2018(01)
[5]并列双圆柱流致振动的不对称振动和对称性迟滞研究[J]. 陈威霖,及春宁,徐万海. 力学学报. 2015(05)
硕士论文
[1]圆柱耐压结构碰撞响应研究[D]. 朱帅帅.江苏科技大学 2019
[2]船舶碰撞过程中的附加质量研究[D]. 张娅.武汉理工大学 2016
[3]低雷诺数下并列圆柱涡激振动的数值模拟及其机理研究[D]. 刘爽.天津大学 2014
[4]二维串并列圆柱绕流与涡致振动研究[D]. 陈文曲.浙江大学 2005
本文编号：3014929
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