基于浸入边界-谱元法的流体柔性体耦合运动研究

发布时间：2021-03-20 12:54

　　为了模拟大变形柔性体与黏性流体耦合运动的动力学行为,该文发展了一套基于浸入边界-谱元法的数值模拟方法。该数值方法中,流体运动在欧拉坐标下采用谱元法模拟,柔性体运动在拉格朗日坐标系采用有限差分法求解,两者的耦合通过浸入边界法实现。首先对低雷诺数方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动问题进行数值模拟,并将计算结果与其它文献计算结果进行比较,验证了该耦合计算方法的可靠性。然后研究了高雷诺数下方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动情况,得到柔性结构的耦合振动特性和流场动态分布特征。该文的数值方法放宽了由大拉伸系数引起的稳定性限制,能更灵活地被运用于复杂柔性边界条件的情况,为后续对各种柔性体流体耦合的研究提供了基础。 

【文章来源】：水动力学研究与进展（A辑）. 2020,35(03)北大核心CSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

算例示意图

图4展示了柔性悬臂自由端的位移和速度信息。从模拟结果得出，由于不可压缩黏性流经过障碍物的不稳定分离，旋涡从方柱突出边缘以一定频率脱落。方柱尾流中的涡形成非定常的阻力和升力，激励柔性悬臂在流场中自由振动。根据Liew等的研究，位移历程被划分为两个阶段：锁定和跳动。结构位移在第一阶段逐渐放大，悬臂的振荡频率接近其第一个本征频率，激发锁定(或共振)。在第二阶段，结构响应收敛于稳定的长期振荡运动，形成跳动(或调制)。在整个VIV过程中，涡旋脱落引起锁定，从而驱动悬臂急剧振荡[24]。从图4可以清晰看出这一演变过程。稳定后的振动频率经过计算可得为f=3.06，自由端振幅为d=1.22。表3展示了已有文献对这个基本算例的模拟结果。对比发现，本文结果与已有文献的模拟结果非常吻合。图5截取了结构震荡稳定后的三帧典型涡量场。可以看出，在振荡期间，流动模式和结构振荡的不稳定特征明显地展示在不同阶段中。在图中，涡作用在悬臂梁的表面上，并同时从悬臂两侧交替脱落，由此激发悬臂梁大幅度振动。值得注意的是，悬臂梁开始移动的一侧的涡被削弱并最终被附近的流动抑制。因此，在这一侧受到附近的高压缩。然而，在相反的一侧，涡被加强并且在悬臂梁的下游平行脱落。这些涡是由振动悬臂梁的尖端产生的速度梯度产的。由于立即暴露于流动，方柱正面上的压力分布是正的，但是沿着方柱的侧面检测到低压。沿着柔性悬臂也有低压区域促使悬臂梁振动。图3 方柱周边网格

方柱周边网格

【参考文献】：
期刊论文
[1]上游圆柱固定条件下串列三圆柱涡激振动响应和尾流特性[J]. 张志猛,及春宁,许栋,陈威霖,杨枭枭.  水动力学研究与进展（A辑）. 2019(02)
[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]五叶侧斜螺旋桨流固耦合特性的非定常数值模拟[J]. 曹峰,李巍,尤云祥.  水动力学研究与进展A辑. 2013(05)

博士论文
[1]谱元方法求解不可压缩流体流动及流动线性稳定性分析[D]. 梅欢.重庆大学 2012



本文编号：3091033