CN109977475B - 一种用于三维复杂管路流固耦合计算的动网格更新方法 - Google Patents

一种用于三维复杂管路流固耦合计算的动网格更新方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于三维复杂管路流固耦合计算的动网格更新方法，包括：(1)基于模态降阶原理建立复杂管路系统的有限阶动力学模型；(2)用FLUENT建立复杂管路系统的流体域计算模型，将管路系统划分为若干小区块；(3)在FLUENT中进行三维瞬态流场计算，每个时间步均计算作用在各个小区块管路上的流体力；(4)每个时间步的流场计算结束后，通过UDF调用管路系统的有限阶动力学模型，读入作用管路上的流体力向量，计算管路上各个点的振动位移；(5)根据上述动力学计算结果，通过UDF更新管路各个网格节点的坐标值，流体域随之变动。本发明的方法在管路长时间、大幅度、多频同时振动时仍能保持良好的网格质量，使得流固耦合瞬态计算能够顺利进行。

Description

一种用于三维复杂管路流固耦合计算的动网格更新方法
技术领域
本发明属于复杂管路流固耦合动力学技术领域，尤其是涉及一种用于三维复杂管路流固耦合计算的动网格更新方法。
背景技术
在机械、化工、航空航天等领域，管路系统广泛地应用于工业生产和装备制造中，为适应装备运行及结构紧凑等要求，管路布置通常较为复杂，分支、弯头、三通或多通接头较多，还包括各种阀门等。管路系统前后端的压缩机、泵等设备工作时排量和排压不可避免地存在周期性或随机性变化，管路弯头处会出现冲击，管路中的流体还存在声共振可能，因此，管路流固耦合振动是普遍存在的问题，振动会使管路出现噪声、疲劳损伤、裂纹等破坏，严重时可能导致管路断裂，引发灾难性的生产和安全事故，因此需要在管路设计阶段就引起高度重视，并进行相关的计算和校核，这就涉及到管路系统的流固耦合计算。
在进行管路系统的流固耦合计算时，因为管路的振动，所涉及的计算流体域也会产生相应的移动，在移动过程中，管路结构和流体之间会产生相应的作用力和反作用力，这是流固耦合计算时必须考虑在内的。在管路流固耦合计算时，无法采用FLUENT软件提供的动网格更新方法(即弹簧光顺法、动态分层法和网格重构法)来处理由管路振动引起的流体域变化后的网格更新，因为在FLUENT动网格技术中，刚体只能运动而不能变形，变形体只能变形而不能做刚体运动。而管路振动时，管路既有挠性变形，也有运动，而且这些变形和运动都是随时间变化的。
为了能够借助FLUENT软件进行复杂管路流固耦合瞬态计算，急需开发一种新的适用于多分支三维空间布置管路流固耦合计算的动网格更新方法。
发明内容
本发明提供了一种用于三维复杂管路流固耦合计算的动网格更新方法，在管路长时间、大幅度、多频同时振动时仍能保持良好的网格质量，使得流固耦合瞬态计算能够顺利进行。
本发明的技术方案如下：
一种用于三维复杂管路流固耦合计算的动网格更新方法，包括：
(1)基于模态降阶原理建立复杂管路系统的有限阶动力学模型；
(2)用FLUENT软件建立复杂管路系统的流体域计算模型，并将管路系统划分为若干小区块；
(3)在FLUENT软件中进行三维瞬态流场计算，每个时间步均计算作用在各个小区块管路上的流体力，并将其写入数据文件；
(4)每个时间步的流场计算结束后，通过UDF接口调用管路系统的有限阶动力学模型的瞬态求解程序，读入作用在管路上的流体力向量，计算管路上各个点的振动位移；
(5)根据上述动力学计算结果，通过UDF接口更新管路内流体域各个网格节点的坐标值，流体域随之变动。
步骤(1)的具体过程为：在有限元软件中，采用梁单元建立复杂管路系统的有限元模型，计算并提取复杂管路系统的前n阶三维空间振动模态，基于模态降阶原理建立复杂管路系统的有限阶动力学模型，模型中包括各种外部激振力。
步骤(1)还包括：自行设计复杂管路系统有限阶动力学模型的瞬态求解程序，并形成包含数据接口的可执行文件，该执行文件可通过C语言调用。
该模型可以用matlab、fortran或自编程序进行瞬态求解，计算结果通过模态逆变换可以得到管路各个点的振动位移。
所述的有限元软件可以为Ansys软件等，所述的有限元模型的管路支撑方式包括固定支撑或弹性阻尼支撑。
步骤(4)中，计算管路上各个点的振动位移的具体过程为：
通过自行设计的瞬态求解程序读入作用在管路上的流体分布力并转化成模态作用力，对有限阶动力学模型进行该时间步的瞬态求解，并通过模态逆变换得到管路各个点的空间位移值及转角值，计算结果以数据文件格式输出。
步骤(5)的具体过程为：
(5-1)读取该时间步管路上各个点的位移和转角值，取管路流体域上的一个小区块，根据坐标值判断其中每个节点所在的位置及对应的位移和转角，根据同一截面转角相同的原则计算该节点3个维度上的位移并加到该节点的坐标上，实现流体域的移动；
(5-2)对管路流体域上的每一个小区块，重复上述步骤，完成管路在该时间步的网格更新。
步骤(5)中，在对网格节点进行更新时，将管路上的三通或多通接头视为一个节点，直管或弯头采用结构化网格。通过容差控制，保证管路长时间振动发生较大位移后，仍能找到每个节点所对应的该时间步的位移。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、管路视为弹性体，当管路因振动而产生随空间和时间而变化的变形时，用本方明方法可以实现管内流体计算域的相应变化，突破了目前已有的动网格技术的局限性。
2、本发明通过模态降阶，简化了复杂空间管路的动力学计算，而且管内流体力依然是分布式作用在管路上，从而实现了管路结构和管内流场的耦合计算。
附图说明
图1为本发明实施例中管路模型的结构示意图；
图2为本发明一种用于三维复杂管路流固耦合计算的动网格更新方法的流程示意图；
图3为本发明实施例中管路一阶空间模态振型；
图4为本发明实施例中管路二阶空间模态振型；
图5为本发明实施例中管路三阶空间模态振型；
图6为本发明实施例中管路四阶空间模态振型；
图7为本发明实施例中管路五阶空间模态振型；
图8为本发明实施例中直管和三通的网格；
图9为本发明实施例中直管和弯头的网格；
图10为本发明实施例中动网格更新流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，本发明实施例所采用的的管路模型，包括左直管1、右直管2、三通3、竖直管4、弯头6、下横直管5、关闭阀门7和管路支撑8。
当管内通一定压力的气体时，即使进口压力、进口速度是完全不随时间变化的，但由于三通3、弯头6、关闭阀门7的存在，流动中会出现涡脱、冲击等问题，同时，气体具有可压缩性，管内的气柱具有弹性性质，流体压力会出现规律性的波动，其频率为气柱固有频率。单独对流体进行瞬态计算时，如果进出口条件不变，气柱固有频率的压力波动及涡脱现象会随着时间逐步衰减，但如果对流体和管路结构进行耦合计算时，这些压力波动会持久存在，管路振动也同样持久存在。
本发明针对有多个分支、在三维空间布置的复杂管路流固耦合振动计算，提供了一种流体域边界及动网格的更新方法，如图2所示，具体步骤如下：
S01，建立复杂管路系统的有限阶动力学模型。
首先在Ansys软件中建立图1所示的管路模型，计算出该管路系统的前5阶固有频率，记为ω1、ω2、ω3、ω4和ω5，并提取相应的前5阶空间模态振型，记为φ1、φ2、φ3、φ4和φ5。用Ansys计算得到的管路系统的一阶空间模态振型如图3所示，对应的一阶固有频率为17.406Hz，即ω1＝2π×17.406＝109.365rad/s，设管路第i个点在该振型下的空间位移为(xi,yi,zi)，把管路所有节点的位移按1到N的顺序排成一列，见(1)式，就是管路系统的一阶空间模态振型φ1。
Figure BDA0001980950460000051
用Ansys计算得到的管路系统二阶空间模态振型如图4所示，三阶空间模态振型如图5所示，四阶空间模态振型如图6所示，五阶空间模态振型如图7所示。用同样的方式可以得到ω2、ω3、ω4和ω5以及φ2、φ3、φ4和φ5。
根据模态降阶理论，该管路模型的结构振动方程可以简化为：
Figure BDA0001980950460000061
式中，Mi(i＝1,2,3,4,5)是管路系统前5阶的模态质量，上式在提取模态振型时对振型进行了基于质量矩阵的归一化处理，因此有Mi＝1(i＝1,2,3,4,5)。qi为模态广义坐标，Ff为作用在管路结构上的第f个作用力(包括x、y和z 3个方向的分量)，作用点坐标为xf、yf、zf。管路上各点的位移可以根据模态广义坐标qi的逆变换求得，表达式如下：
Figure BDA0001980950460000062
式(3)为复杂管路系统的有限阶动力学模型，可以用matlab或其它软件求解，并形成可执行文件pipe.exe，待FLUENT中的UDF接口调用。
S02，在FLUENT中建立流体域的瞬态流场计算模型，如图1所示的管路内部区域，并根据管路特征将流体区域划分成左直管1、三通3、右直管2、竖直管4、弯头6和下横直管5等部分。直管和弯头6采用结构化网格，参见图9；三通3区域形状复杂，采用非结构化网格，参见图8，整个三通3在动网格中作为刚体处理。设置相应的瞬态流场计算条件，动网格设置为UDF自定义方法。
S03，在FLUENT软件中进行三维瞬态流场计算，对流体域边界及动网格进行更新。
在FLUENT软件中，用C语言编辑流体域边界及动网格更新程序，程序流程图如图10所示。首先计算作用在管路上的流体力，得到流体力Fx、Fy、Fz；然后调用动力学程序计算管路上各个点的位移，得到管路各点的当前位移x、y、z；接着依次访问网格变形区域内的每个节点并计算该节点的移动量；最后计算节点的新坐标并通过UDF完成更新步内节点的移动，完成网格更新。
S04，进行当前时间步的瞬态迭代计算，计算收敛后即开始下一时间步的计算，即重复上面的步骤3，由此实现管路的流固耦合计算。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于三维复杂管路流固耦合计算的动网格更新方法，其特征在于，包括：
(1)基于模态降阶原理建立复杂管路系统的有限阶动力学模型；具体过程为：
在有限元软件中，采用梁单元建立复杂管路系统的有限元模型，计算并提取复杂管路系统的前n阶三维空间振动模态，基于模态降阶原理建立复杂管路系统的有限阶动力学模型；
(2)用FLUENT软件建立复杂管路系统的流体域计算模型，并将管路系统划分为若干小区块；
(3)在FLUENT软件中进行三维瞬态流场计算，每个时间步均计算作用在各个小区块管路上的流体分布力，并将其写入数据文件；
(4)每个时间步的流场计算结束后，通过UDF接口调用管路系统的有限阶动力学模型的瞬态求解程序，读入作用在管路上的流体力向量，计算管路上各个点的振动位移；具体过程为：
通过自行设计的瞬态求解程序读入作用在管路上的流体分布力并转化成模态作用力，对有限阶动力学模型进行该时间步的瞬态求解，并通过模态逆变换得到管路各个点的空间位移值及转角值，计算结果以数据文件格式输出；
(5)根据上述动力学计算结果，通过UDF接口更新管路内流体域各个网格节点的坐标值，流体域随之变动；具体过程为：
(5-1)读取该时间步管路上各个点的位移和转角值，取管路流体域上的一个小区块，根据坐标值判断其中每个节点所在的位置及对应的位移和转角，根据同一截面转角相同的原则计算该节点3个维度上的位移并加到该节点的坐标上，实现流体域的移动；
(5-2)对管路流体域上的每一个小区块，重复上述步骤，完成管路在该时间步的网格更新。
2.根据权利要求1所述的用于三维复杂管路流固耦合计算的动网格更新方法，其特征在于，步骤(1)还包括：设计复杂管路系统有限阶动力学模型的瞬态求解程序，并形成包含数据接口的可执行文件。
3.根据权利要求1所述的用于三维复杂管路流固耦合计算的动网格更新方法，其特征在于，步骤(5)中，在对网格节点进行更新时，将管路上的三通或多通接头视为一个节点，直管或弯头采用结构化网格，同时引入容差控制，保证流体域经过一段时间的来回移动后依然能准确判断每个节点所在的位置。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110929461B (zh) * 2019-12-05 2021-09-14 浙江大学 用于运动锥形阀芯小间隙二维流场计算的动网格更新方法
CN111859824B (zh) * 2020-07-22 2022-03-22 西安交通大学 一种稳压器泄压阀开启过程的流固耦合方法
CN114112305B (zh) * 2021-12-06 2024-02-06 西南石油大学 一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置及方法
CN114757123B (zh) * 2022-04-20 2023-06-20 西安交通大学 一种用于板形核燃料堆芯的跨维度流固耦合分析方法
CN115034152A (zh) * 2022-05-17 2022-09-09 浙江大学 一种数据驱动的流固耦合系统非线性降阶预测方法及装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108763741A (zh) * 2018-05-28 2018-11-06 青岛科技大学 一种液压软管流固耦合数值预测方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105260806B (zh) * 2015-11-25 2018-12-11 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 一种管路系统的流固耦合动力学特性预测方法
CN106326541B (zh) * 2016-08-19 2020-05-15 广东海洋大学 一种动网格边界更新计算方法
CN106383930B (zh) * 2016-08-31 2019-06-28 中国石油大学(华东) 一种尾轴承-转子系统多重流固耦合计算方法
CN107526914B (zh) * 2016-12-28 2020-10-09 浙江大学 基于结构化动网格的可倾瓦滑动轴承变流域流场计算方法
CN107269700A (zh) * 2017-06-09 2017-10-20 郑州轻工业学院 一种基于Fluent的径向油膜轴承的动网格更新方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108763741A (zh) * 2018-05-28 2018-11-06 青岛科技大学 一种液压软管流固耦合数值预测方法

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