基于拓扑网格方法的多钝体流致振动分析
发布时间：2021-12-08 23:06
多钝体流致振动是一个较为复杂的流固耦合过程,普遍存在于自然界和工程领域。为了减小高幅振动时网格变形引起的计算误差,基于非定常Navier-Stokes方程对二维双圆柱和三圆柱、三维双圆柱流致振动进行数值求解,采用耦合界面结合拓扑网格变形技术,实现流体与多个运动钝体之间的耦合计算。将数值结果与实验进行比较分析,验证了该数值方法是处理高振幅多钝体流致振动的有效方法。研究结果表明上游圆柱的存在对下游圆柱流致振动和旋涡形成产生明显影响。串列双圆柱流致振动振幅和频率响应与实验测试趋势一致,清晰观察到了涡致振动初始分支和上部分支;并且当Re>8×104时,圆柱流致振动由涡致振动向驰振过渡。圆柱尾涡形态随流致振动分支切换发生变化,当驰振发生时,下游圆柱的尾涡形态受上游圆柱影响难以捕捉。随着双圆柱间距增大,低Re时下游圆柱受到上游圆柱的抑制作用减弱。三维多柱体流致振动计算结果更接近实验值,如何提高三维数值计算速度将是下一步研究工作的重点。
【文章来源】：振动与冲击. 2019,38(22)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
物理模型Fig．1Physicalmodel
，不要求相邻界面的网格节点一一匹配。在具有旋转部件的数值计算中要求所有界面网格相互匹配往往非常困难，CI界面是处理这类问题的有效途径。对于界面网格不连续的区域，分别进行网格划分，然后使用一个或者多个CI界面进行连接。与滑移网格不同，CI界面包含主界面和副界面，使用加权插值进行流率计算和传递。为避免柱体运动造成网格拉伸或挤压变形，保证在数值计算过程中维持较高的网格质量，通过网格拓扑变形技术实现运动子块上下网格的自动生成或塌缩，避免网格单元体积的剧烈变化。如图2所示，振动柱体所在子块的上下侧为动态层，h为动态层与邻近网格(n)的距离。当流致振动发生时，子块内网格整体运动，过程如下:(a)子块向上运动时，h变小，当h＜hmin时，网格n崩塌消失;(b)子块向下运动时，h增大，当h＞hmax时，将会自动生成网格n－1。其中hmin和hmax分别是根据整体网格质量而设定的最小和最大网格厚度。拓扑变形技术能自动对网格进行更新，有效解决旋转、拉伸和挤压造成的网格变形问题，有效减小网格变形造成的计算误差。图2拓扑网格及耦合界面Fig．2Topologicalmeshandcouplinginterface3结果与讨论为了研究弹性支撑多钝体的流致振动响应特性，同时验证本文提出的数值方法尤其是动网格模型的可靠性，本文分别对二维双圆柱和三圆柱、三维双圆柱模型进行了数值计算。3．1二维双圆柱流致振动二维双圆柱计算区域如图3所示，顶部和底部距离为9D，与实验水深相同，速度入口距上游圆柱轴心为25D，下游圆柱轴心距离压力出口为25D，两种不同间距的串列双圆柱模型的轴心间距d分别为2
?hmin和hmax分别是根据整体网格质量而设定的最小和最大网格厚度。拓扑变形技术能自动对网格进行更新，有效解决旋转、拉伸和挤压造成的网格变形问题，有效减小网格变形造成的计算误差。图2拓扑网格及耦合界面Fig．2Topologicalmeshandcouplinginterface3结果与讨论为了研究弹性支撑多钝体的流致振动响应特性，同时验证本文提出的数值方法尤其是动网格模型的可靠性，本文分别对二维双圆柱和三圆柱、三维双圆柱模型进行了数值计算。3．1二维双圆柱流致振动二维双圆柱计算区域如图3所示，顶部和底部距离为9D，与实验水深相同，速度入口距上游圆柱轴心为25D，下游圆柱轴心距离压力出口为25D，两种不同间距的串列双圆柱模型的轴心间距d分别为2D和2．5D。顶部和底面为壁面边界。为了强化圆柱的流致振动，在圆柱表面沿轴向安装两条附属粗糙带，粗糙带覆盖16°圆柱表面，厚度为0．847mm，数值计算中采用壁面函数进行求解。本文计算采用结构化网格，均经过网格无关性验证，并将计算结果与实验进行比较。图3计算区域及边界条件Fig．3Calculationregionandboundaryconditions3．1．1双圆柱轴心距离d=2D当串列双圆柱轴心距离d=2D时，双圆柱所在方形网格子区域之间存在共用耦合界面。当圆柱发生流致振动时，圆柱所在子区域整体运动，并在动态层经过区域成功实现网格自动崩塌与生成，如图4所示。计算雷诺数(Ｒe)范围为3×104≤Ｒe≤10×104，对应折减832振动与冲击2019年第38卷
【参考文献】：
期刊论文
[1]双自由度涡激振动数值模拟方法研究[J]. 孙丽萍,张旭,倪问池. 振动与冲击. 2017(23)
[2]质量比对刚性圆柱体涡激振动影响的研究[J]. 陈正寿,赵宗文,张国辉,郑武,颜盛汉. 振动与冲击. 2017(11)
[3]串列圆柱体尾流、尾涡耦合振动试验研究[J]. 关德宝,黄维平,宋虹,田会元,耿翱翔,魏立波. 振动与冲击. 2014(22)
[4]串列双圆柱绕流下游圆柱两自由度涡致振动研究[J]. 陈文曲,任安禄,李广望. 力学学报. 2004(06)
本文编号：3529421
【文章来源】：振动与冲击. 2019,38(22)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
物理模型Fig．1Physicalmodel
，不要求相邻界面的网格节点一一匹配。在具有旋转部件的数值计算中要求所有界面网格相互匹配往往非常困难，CI界面是处理这类问题的有效途径。对于界面网格不连续的区域，分别进行网格划分，然后使用一个或者多个CI界面进行连接。与滑移网格不同，CI界面包含主界面和副界面，使用加权插值进行流率计算和传递。为避免柱体运动造成网格拉伸或挤压变形，保证在数值计算过程中维持较高的网格质量，通过网格拓扑变形技术实现运动子块上下网格的自动生成或塌缩，避免网格单元体积的剧烈变化。如图2所示，振动柱体所在子块的上下侧为动态层，h为动态层与邻近网格(n)的距离。当流致振动发生时，子块内网格整体运动，过程如下:(a)子块向上运动时，h变小，当h＜hmin时，网格n崩塌消失;(b)子块向下运动时，h增大，当h＞hmax时，将会自动生成网格n－1。其中hmin和hmax分别是根据整体网格质量而设定的最小和最大网格厚度。拓扑变形技术能自动对网格进行更新，有效解决旋转、拉伸和挤压造成的网格变形问题，有效减小网格变形造成的计算误差。图2拓扑网格及耦合界面Fig．2Topologicalmeshandcouplinginterface3结果与讨论为了研究弹性支撑多钝体的流致振动响应特性，同时验证本文提出的数值方法尤其是动网格模型的可靠性，本文分别对二维双圆柱和三圆柱、三维双圆柱模型进行了数值计算。3．1二维双圆柱流致振动二维双圆柱计算区域如图3所示，顶部和底部距离为9D，与实验水深相同，速度入口距上游圆柱轴心为25D，下游圆柱轴心距离压力出口为25D，两种不同间距的串列双圆柱模型的轴心间距d分别为2
?hmin和hmax分别是根据整体网格质量而设定的最小和最大网格厚度。拓扑变形技术能自动对网格进行更新，有效解决旋转、拉伸和挤压造成的网格变形问题，有效减小网格变形造成的计算误差。图2拓扑网格及耦合界面Fig．2Topologicalmeshandcouplinginterface3结果与讨论为了研究弹性支撑多钝体的流致振动响应特性，同时验证本文提出的数值方法尤其是动网格模型的可靠性，本文分别对二维双圆柱和三圆柱、三维双圆柱模型进行了数值计算。3．1二维双圆柱流致振动二维双圆柱计算区域如图3所示，顶部和底部距离为9D，与实验水深相同，速度入口距上游圆柱轴心为25D，下游圆柱轴心距离压力出口为25D，两种不同间距的串列双圆柱模型的轴心间距d分别为2D和2．5D。顶部和底面为壁面边界。为了强化圆柱的流致振动，在圆柱表面沿轴向安装两条附属粗糙带，粗糙带覆盖16°圆柱表面，厚度为0．847mm，数值计算中采用壁面函数进行求解。本文计算采用结构化网格，均经过网格无关性验证，并将计算结果与实验进行比较。图3计算区域及边界条件Fig．3Calculationregionandboundaryconditions3．1．1双圆柱轴心距离d=2D当串列双圆柱轴心距离d=2D时，双圆柱所在方形网格子区域之间存在共用耦合界面。当圆柱发生流致振动时，圆柱所在子区域整体运动，并在动态层经过区域成功实现网格自动崩塌与生成，如图4所示。计算雷诺数(Ｒe)范围为3×104≤Ｒe≤10×104，对应折减832振动与冲击2019年第38卷
【参考文献】：
期刊论文
[1]双自由度涡激振动数值模拟方法研究[J]. 孙丽萍,张旭,倪问池. 振动与冲击. 2017(23)
[2]质量比对刚性圆柱体涡激振动影响的研究[J]. 陈正寿,赵宗文,张国辉,郑武,颜盛汉. 振动与冲击. 2017(11)
[3]串列圆柱体尾流、尾涡耦合振动试验研究[J]. 关德宝,黄维平,宋虹,田会元,耿翱翔,魏立波. 振动与冲击. 2014(22)
[4]串列双圆柱绕流下游圆柱两自由度涡致振动研究[J]. 陈文曲,任安禄,李广望. 力学学报. 2004(06)
本文编号：3529421
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