CN111008490B - 采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法 - Google Patents
采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了仿真领域内的一种采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法，首先建立双柱体结构二维流域和几何模型，并划分流场计算网格；接着利用嵌套网格技术将结构域网格和流场域网格进行插值，形成流场计算网格；建立NES作用下的双柱体结构动力学模型，并与计算流体力学模型结合，进行柱体流固耦合数值计算；最后进行后处理，得到NES作用下双柱体结构流激振动特性和NES对双柱体结构流激振动的抑制效果；本方法基于计算流体力学方法实现双柱体结构流激振动动力学建模，运用嵌套网格技术实现柱体流体计算和结构动力学计算的耦合，建立起的二维双自由度串列双柱体流激振动仿真模型具有一定的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种流固耦合预测方法，特别涉及一种采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法，属于计算流体力学数值仿真领域。
背景技术
当流体流经非线性结构时，结构两侧尾迹中会交替产生周期性的旋涡脱落现象，从而对结构横向产生周期性变化的流体力，而弹性结构也会因此产生横向的振动，这种现象就是涡激振动(VIV)。当结构涡脱频率接近结构固有频率时，就会发生“频率”锁定现象。“频率”锁定发生时，结构横向上将产生大幅度的振动，造成对结构的破坏。涡激振动广泛存在于风工程中的风力机塔筒、桥梁结构、高层建筑物和海洋工程中的海洋立管、平台立柱等柱状结构中。若结构长期处于频率锁定状态，将大大减少结构的疲劳寿命。
当结构在尾流作用下，引起的振动就是尾流激振。不同于典型的单柱体涡激振动，在尾流作用下引起的柱体流激振动其振动机理更加复杂。尾流激振引起的柱体结构最大振幅通常会超过典型涡激振动所能引起的最大振幅，更加威胁柱体结构的安全。圆柱的涡激振动是强迫振动和自激振动的结合，具有自限制特性；但在尾流作用下，圆柱会产生驰振。驰振具有大振幅的特点，且驰振时振动振幅随着折减风速的增大而不断增大。同时，尾流作用下的流激振动受到周期性的疲劳应力，所产生的横向大振幅振动将导致疲劳损伤，在高风速下甚至会产生结构破坏问题。
为了减弱流激振动对高耸柱体结构疲劳寿命的影响，通常采用外加控制柱、螺旋列版等扰流装置改变结构旋涡脱落情况。但这些扰流装置往往会使阻力增大，并且还会引发其他形式的振动。此外，也可在柱体结构中安装阻尼器以减弱柱体振动，但在尾流作用下产生的涡激振动往往振动频率变化范围较大，而调频质量阻尼器、调频液体阻尼器等常规阻尼器往往频带较窄，吸振范围较小，不适用于减小尾激振动。非线性能量阱(NES)是能实现定向能量传递的具有立方非线性的吸振器。非线性能量阱通过与柱体共振，将来自柱体系统的振动能量定向传递到吸振器的振子上，并通过阻尼消耗能量，从而达到减小尾激振动横向振幅的目的。它不仅具有宽频吸振特性，而且该装置内置于柱体内部，不改变柱体的形状，不会增大流向振动，属于被动控制减振装置。本发明采用非线性能量阱来抑制柱体尾流致涡激振动，因此提出了一种采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法，完成预测双柱体结构流激振动在非线性能量阱作用下的振动响应，方便研究柱体减振。
本发明的目的是这样实现的：一种采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法，包括以下步骤：
步骤一：忽略结构轴向上的变形，将三维结构简化为二维平面上的几何模型，将振动模型简化为弹簧-阻尼-质量块模型，柱体内的NES也简化为质量块、横向上的阻尼器和立方非线性弹簧，完成串列双柱体结构的几何建模；再根据两个柱体所在位置，建立二维流域模型；二维流域为将两个串列柱体结构包围住的长方形；
步骤二：分别对结构域和流场域进行有限元网格划分；应用嵌套网格技术分别对柱体边界和流场进行结构网格划分，然后将两套网格重叠部分进行插值，将背景区域的边界单元变量信息插值到嵌套区域的边界单元，完成流场计算网格；步骤四中应用嵌套网格技术更新流场网格，移动后的组分网格重新与流场域网格插值，形成新的流场计算网格；
步骤三：建立串列双柱体流激振动模型；
步骤四：流固耦合计算；
首先确定初始条件和边界条件，流场入口采用速度入口，给定流体来流速度为均匀速度；出口选择压力出口，平均静压为标准大气压；柱体表面为无滑移、光滑壁面边界条件；流场区域边界采用对称边界；然后在CFD的求解器中，求解流体控制方程得到流场的速度和作用在柱体的力，将流体对柱体作用产生的力代入NES被动控制模型中，用四阶龙格-库塔法求解下一时刻的位移和速度；再将柱体的运动速度和位移，基于嵌套网格技术更新流场网格，得到新的流场计算网格用于下一个时间步的流场数值计算，实现柱体流固耦合数值计算；
步骤五：计算到达仿真时间，对计算数据进行后处理，提取两个柱体的位移、速度响应曲线及柱体流场域的流场结构信息，得到两个柱体流激振动特性。
作为本发明的进一步限定，步骤1中所述长方形的入口边界距离前一个柱体10D，出口边界距离后一个柱体30D，柱体上下距离边界都是10D，包围这柱体的组分网格外边界直径大小为3D。
作为本发明的进一步限定，步骤2中有限元网格使用的都是结构化网格，且靠近柱体表面部分为边界层网格(Y+＜1)。
作为本发明的进一步限定，步骤3中计算模型的具体建立方法为：
串列双柱体流激振动模型包括流场控制方程和结构场串列双柱体模型控制方程；
在流场中，基于CFD方法求解流场域，非定常不可压缩流体RANS方程为：
式(2)中，
式中，ρf为不可压缩流体的密度；ui表示i方向上的瞬时速度分量，ui'为i方向上速度脉动量，为速度的时间平均值；xi、t、p、μ分别表示笛卡尔坐标系、时间、压力、运动粘度；μt为湍流黏度，下标“t”表示湍流；kt为湍动能；δij是“Kronecker delta”符号，就是当i＝j时，δij＝1，当i≠j时，δij＝0；湍流模型选用SST k–ω湍流模型；通过计算流场，可以得到二维柱体表面的压力分布，进而可以得到作用在二维柱体上的升力和阻力系数CL、CD；
NES具有硬化立方非线性刚度的特性，在物理模型中，柱体横向上用阻尼器和立方非线性弹簧连接NES振子；由此，建立NES作用下串列双柱体运动的控制方程为：
其中：
同时，令ω0为柱体的固有频率，/>为柱体的阻尼比，/>为非线性能量阱的阻尼比，β、γ、ξ分别为非线性能量阱与柱体结构的质量比、刚度比和阻尼比；m为圆柱体的质量，c为系统阻尼系数，k为系统刚度系数，cnes为非线性能量阱的结构阻尼，knes为非线性能量阱的结构刚度；x、/>分别为柱体的流向位移、速度、加速度，y1、/>分别为柱体的横向位移、速度、加速度；y2、/>分别为非线性能量阱的横向位移、速度、加速度；F为作用在柱体表面的流体力，由计算流体力学方法计算得到；mnes、cnes、knes分别是所用非线性能量阱的质量、阻尼系数和刚度系数。
作为本发明的进一步限定，步骤二具体为：分别对结构域和流场域进行有限元网格划分；先对包裹柱体的部分划分组分网格，组分网格与柱体具有同一个圆心，边界为包围柱体的圆形区域，边界直径为3D，两柱体划分网格方法相同；对外流场划分背景网格，靠近柱体区域网格密，远离柱体区域网格疏；将结构域网格和流场域网格进行插值，形成流场计算网格。
作为本发明的进一步限定，在串列双柱体结构CFD模型中嵌入NES，考虑了NES对柱体振动的影响，完成了NES作用下的串列双柱体结构动力学模型，建立NES作用下的串列双柱体结构流激振动数值仿真模型，分别考虑了NES对上游柱体涡激振动和下游柱体尾激振动的抑制情况。
本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：
(1)本方法运用CFD方法、结构动力学理论以及嵌套网格技术，建立了二维串列双柱体结构的流激振动高保真仿真模型，数值预测结果具有了一定的准确性，本方法建立了柱体结构的双自由度振动模型，能同时考虑弹性支撑柱体来流向和横向振动，相比单自由度系统可以获得更好的计算精度和详细的流场信息，同时，模型中考虑了上游柱体尾流对下游柱体的流激振动的影响，形成了尾流干涉直接耦合的计算方法；
(2)本方法建立了在非线性能量阱作用下的柱体流激振动结构动力学模型，在串列双柱体结构CFD模型中嵌入NES作用下的柱体结构动力学模型，实现流固耦合仿真计算，可以直接利用数值方法来预测非线性能量阱对上游柱体涡激振动和下游柱体尾激振动的抑制效果，不仅可以获得结构变形和瞬态流场信息，还能大大减少实验次数，节约实验成本；
(3)本方法采用了嵌套网格技术，解决了柱体振幅较大引起的网格畸变和负网格问题导致求解失败等问题，提高了计算效率。
附图说明
附图1是本发明的基本流程示意图。
附图2是本发明的串列双柱体结构流激振动模型的简化示意图。
附图3是本发明的串列双柱体结构流场域网格划分示意图。
附图4是柱体有无NES情况下在不同约化速度下的振幅分布。左图为上游柱体的振幅分布，其中NES参数为ξ＝0.8、γ＝0.8、β＝0.1；右图为下游柱体的振幅分布，NES参数ξ＝0.8、γ＝0.8、β＝0.5。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
实施例1
实施例为质量m＝2.7325kg，刚度k＝17.26N/m，阻尼比直径D＝0.02m，固有频率fn＝0.4Hz的串列双柱体结构建立仿真模型，计算得到两个柱体其在各个折减风速下非线性能量阱作用下的流激激振动特性；所选取的NES参数为β＝0.1、γ＝0.8、(上游柱体)，β＝0.5、γ＝0.8、/>(下游柱体)。上游柱体与下游柱体的NES参数仅是质量比不同，其他参数相同。
步骤一：忽略结构轴向上的变形，将三维结构简化为二维平面上的几何模型，将振动模型简化为弹簧-阻尼-质量块模型，柱体内的NES也简化为质量块、横向上的阻尼器和立方非线性弹簧，建立在NES作用下串列双柱体流激振动物理模型，如图2所示；运用绘图软件根据实际尺寸完成串列双柱体结构的几何建模。再根据两个柱体所在位置，建立二维流域模型；二维流域为将两个串列柱体结构包围住的矩形，入口边界距离前一个柱体10D，出口边界距离后一个柱体30D，柱体上下距离边界都是10D，包围这柱体的组分网格外边界直径大小为3D。
步骤二：运用ICEM-CFD软件分别对结构域和流场域进行有限元网格划分，为了较好的保证了网格质量，使用的都是结构化网格，且靠近柱体表面部分为边界层网格(Y+＜1)。先对包裹柱体的部分划分组分网格，组分网格与柱体具有同一个圆心，边界为包围柱体的圆形区域，边界直径为3D，两柱体划分网格方法相同；对外流场划分背景网格，靠近柱体区域网格密，远离柱体区域网格疏。运用FLUENT求解器将结构域网格和流场域网格进行插值，形成流场计算网格。
步骤三：建立计算模型，并通过FLUENT软件的用户自定义函数(UDF)，实现在NES作用下的柱体结构力学模型与FLUENT中的计算流体模型结合；
串列双柱体涡激振动模型包括流场控制方程和结构场串列双柱体模型控制方程；
在流场中，基于CFD方法求解流场域，非定常不可压缩流体RANS方程为：
式(2)中，
式中，ρf为不可压缩流体的密度；ui表示i方向上的瞬时速度分量，ui'为i方向上速度脉动量，为速度的时间平均值；xi、t、p、μ分别表示笛卡尔坐标系、时间、压力、运动粘度；μt为湍流黏度，下标“t”表示湍流；kt为湍动能；δij是“Kronecker delta”符号，就是当i＝j时，δij＝1，当i≠j时，δij＝0。湍流模型选用SST k–ω湍流模型。通过计算流场，可以得到二维柱体表面的压力分布，进而可以得到作用在二维柱体上的升力和阻力系数CL、CD；
NES具有硬化立方非线性刚度的特性，在物理模型中，柱体横向上用阻尼器和立方非线性弹簧连接NES振子。由此，建立NES作用下串列双柱体运动的控制方程为：
其中：
同时，令ω0为柱体的固有频率，/>为柱体的阻尼比，/>为非线性能量阱的阻尼比，β、γ、ξ分别为非线性能量阱与柱体结构的质量比、刚度比和阻尼比；m为圆柱体的质量，c为系统阻尼系数，k为系统刚度系数，cnes为非线性能量阱的结构阻尼，knes为非线性能量阱的结构刚度；x、/>分别为柱体的流向位移、速度、加速度，y1、/>分别为柱体的横向位移、速度、加速度；y2、/>分别为非线性能量阱的横向位移、速度、加速度；F为作用在柱体表面的流体力，由计算流体力学方法计算得到；mnes、cnes、knes分别是所用非线性能量阱的质量、阻尼系数和刚度系数。
步骤四：基于ANSYS FLUENT进行串列双柱体流固耦合计算；
首先将计算流体网格导入ANSYS FLUENT，确定初始条件和边界条件，流场入口采用速度入口，给定流体来流速度为均匀速度；出口选择压力出口，平均静压为标准大气压；柱体表面为无滑移、光滑壁面边界条件。流场区域边界采用对称边界。在流固耦合计算的每个时间步内，首先通过Fluent求解流体控制方程得到流场和二维柱体表面的压力、速度等信息。通过UDF的Compute_Force_And_Moment宏来提取柱体表面的力，并带入运动微分方程，用四阶龙格-库塔法求解下一时刻的位移和速度。将柱体的运动速度和位移通过动网格刚体运动宏DEFINE_CG_MOTION进行传递，再通过嵌套网格技术更新动网格区域，待网格迭代收敛后，完成网格下一时刻的速度和柱体位置，更新并开启下一时刻的速度场和力场的计算。如此循环实现柱体流固耦合计算，得到最终稳定后的计算结果。
步骤五：计算到达仿真时间，用ANSYS FLUENT和Tecplot对计算数据进行后处理，提取两个柱体的位移、速度响应曲线及柱体流场域的流场结构信息，得到两个柱体流激振动特性。该实例中NES作用下串列双柱体不同约化速度下的振幅分布如图4所示，从左图中可以看出，上游柱体(柱体1)的振幅相比未加NES的柱体1的幅值降低了76.3％。对于柱体1，在Ur>6的地方，振幅降低了。在右图中，未加入NES的情况，柱体2的振幅随着Ur的增大而增大，这与典型的涡激振动现象不同，属于尾流干涉激振。当Ur＝6.5时，下游柱体(柱体2)的振幅相比未加NES的柱体2的幅值降低了88.5％，较好的抑制了柱体2的流激振动。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：忽略结构轴向上的变形，将三维结构简化为二维平面上的几何模型，将振动模型简化为弹簧-阻尼-质量块模型，柱体内的NES也简化为质量块、横向上的阻尼器和立方非线性弹簧，完成串列双柱体结构的几何建模；再根据两个柱体所在位置，建立二维流域模型；二维流域为将两个串列柱体结构包围住的长方形；
步骤二：分别对结构域和流场域进行有限元网格划分；应用嵌套网格技术分别对柱体边界和流场进行结构网格划分，然后将两套网格重叠部分进行插值，将背景区域的边界单元变量信息插值到嵌套区域的边界单元，完成流场计算网格；步骤四中应用嵌套网格技术更新流场网格，移动后的组分网格重新与流场域网格插值，形成新的流场计算网格；
步骤三：建立串列双柱体流激振动模型；
步骤四：流固耦合计算；首先确定初始条件和边界条件，流场入口采用速度入口，给定流体来流速度为均匀速度；出口选择压力出口，平均静压为标准大气压；柱体表面为无滑移、光滑壁面边界条件；流场区域边界采用对称边界；然后在CFD的求解器中，求解流体控制方程得到流场的速度和作用在柱体的力，将流体对柱体作用产生的力代入NES被动控制模型中，用四阶龙格-库塔法求解下一时刻的位移和速度；再将柱体的运动速度和位移，基于嵌套网格技术更新流场网格，得到新的流场计算网格用于下一个时间步的流场数值计算，实现柱体流固耦合数值计算；
步骤五：计算到达仿真时间，对计算数据进行后处理，提取两个柱体的位移、速度响应曲线及柱体流场域的流场结构信息，得到两个柱体流激振动特性。
2.根据权利要求1所述的采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法，其特征在于，步骤1中所述长方形的入口边界距离前一个柱体10D，出口边界距离后一个柱体30D，柱体上下距离边界都是10D，包围这柱体的组分网格外边界直径大小为3D。
3.根据权利要求1所述的采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法，其特征在于，步骤2中有限元网格使用的都是结构化网格，且靠近柱体表面部分为边界层网格(Y+＜1)。
4.根据权利要求1所述的采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法，其特征在于，步骤3中计算模型的具体建立方法为：
串列双柱体流激振动模型包括流场控制方程和结构场串列双柱体模型控制方程；
在流场中，基于CFD方法求解流场域，非定常不可压缩流体RANS方程为：
式(2)中，
式中，ρf为不可压缩流体的密度；ui表示i方向上的瞬时速度分量，ui'为i方向上速度脉动量，为速度的时间平均值；xi、t、p、μ分别表示笛卡尔坐标系、时间、压力、运动粘度；μt为湍流黏度，下标“t”表示湍流；kt为湍动能；δij是“Kronecker delta”符号，就是当i＝j时，δij＝1，当i≠j时，δij＝0；湍流模型选用SST k–ω湍流模型；通过计算流场，可以得到二维柱体表面的压力分布，进而可以得到作用在二维柱体上的升力和阻力系数CL、CD；
NES具有硬化立方非线性刚度的特性，在物理模型中，柱体横向上用阻尼器和立方非线性弹簧连接NES振子；由此，建立NES作用下串列双柱体运动的控制方程为：
其中：
同时，令ω0为柱体的固有频率，/>为柱体的阻尼比，/>为非线性能量阱的阻尼比，β、γ、ξ分别为非线性能量阱与柱体结构的质量比、刚度比和阻尼比；m为圆柱体的质量，c为系统阻尼系数，k为系统刚度系数，cnes为非线性能量阱的结构阻尼，knes为非线性能量阱的结构刚度；x、/>分别为柱体的流向位移、速度、加速度，y1、/>分别为柱体的横向位移、速度、加速度；y2、/>分别为非线性能量阱的横向位移、速度、加速度；F为作用在柱体表面的流体力，由计算流体力学方法计算得到；mnes、cnes、knes分别是所用非线性能量阱的质量、阻尼系数和刚度系数。
5.根据权利要求1所述的采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法，其特征在于，步骤二具体为：分别对结构域和流场域进行有限元网格划分；先对包裹柱体的部分划分组分网格，组分网格与柱体具有同一个圆心，边界为包围柱体的圆形区域，边界直径为3D，两柱体划分网格方法相同；对外流场划分背景网格，靠近柱体区域网格密，远离柱体区域网格疏；将结构域网格和流场域网格进行插值，形成流场计算网格。
6.根据权利要求1所述的采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法，其特征在于，在串列双柱体结构CFD模型中嵌入NES，考虑了NES对柱体振动的影响，完成了NES作用下的串列双柱体结构动力学方程，建立NES作用下的串列双柱体结构流激振动数值仿真模型，分别考虑了NES对上游柱体涡激振动和下游柱体尾激振动的抑制情况。
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