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专利号: 2018113650491
申请人: 重庆科技学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-05-07
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种考虑运动气动力的尾流下弹性支撑圆柱驰振分析方法,其特征在于:S1、三分力系数模拟工况

采用计算流体力学软件FLUENT,分别模拟计算多种T/D工况以及对应的L/D工况下,下游圆柱在尾流中的平均升阻力系数的空间分布,其中,L为圆柱之间沿来流方向的圆心距离,T为圆柱之间垂直于来流方向的圆心距离,D为圆柱直径,得到平均升阻力系数模拟结果:横流向,多种圆柱间距离和圆柱直径比T/D下的平均阻力系数CD沿着横流向的变化规律;

来流向,多种圆柱间距离和圆柱直径比L/D下的平均阻力系数CD沿着来流向的变化规律;

横流向,多种圆柱间距离和圆柱直径比T/D下的平均升力系数CL沿着横流向的变化规律;

来流向,多种圆柱间距离和圆柱直径比L/D下的平均升力系数CL沿着来流向的变化规律;

S2、升阻力系数拟合分析

采集到一组离散的数据点,采集一组离散的升阻力系数数据点,然后采用MATLAB多项式进行曲面拟合,拟合出近似的平均阻力系数CD、平均升力系数CL的近似曲面表达式,得到需要的范围空间中任意一点的平均升阻力系数CD、CL的近似值;

S3、尾流驰振运动微分方程建立、求解

对于尾流驰振问题,可以先将上游结构假定为固定不动,将下游结构进行模态分析,分别得到广义质量、广义刚度、广义阻尼和广义力等,这样将一个实际三维结构简化为一种二维的振子计算模型。该模型将上游圆柱假设为固定不动,将下游圆柱简化为一个拥有两个自由度的弹簧振子。以下游圆柱中心为原点,以来流方向为x轴,横风向为y轴,假定下游圆柱的两个自由度分别沿着x轴和y轴两个方向建立质量系数为M,刚度系数分别为Kx和Ky,结构阻尼系数分别为Cx和Cy,广义力分别为Fx和Fy,下游圆柱相对上游圆柱的运动位移分别为x和y的弹簧振子模型,在弹簧振子模型上建立气动力微分方程为:这里下游圆柱相对于上游圆柱运动的加速度和速度分别为 以及假设下游圆柱受到的局部相对风速为Ur,local,则下游圆柱受到的相对于以局部风速为X轴的局部坐标系的阻力FD和升力FL表示为:假设下游圆柱受到的局部相对风速为Ur,local,则下游圆柱受到的相对于以局部风速为x轴的局部坐标系的阻力FD和升力FL可以表示为:其中,ρ为空气密度;D为下游圆柱的直径;CD,local为以局部风速Ulocal进行无量纲化的平均阻力系数;CL,local为以局部风速Ulocal进行无量纲化的平均升力系数。

下游圆柱受到的局部相对风速Ur,local可以由局部风速Ulocal以及下游圆柱的运动速度表示:假设整体坐标系与局部坐标系的夹角为θ,则局部坐标系下的FD、FL与整体坐标系下的Fx和Fy关系为:同时,假设CD是以来流风速U进行无量纲化的平均阻力系数,CL为以来流风速U进行无量纲化的平均升力系数,则有:CL,localU2local=CLU2,CD,localU2local=CDU2   (7)其中夹角θ与局部风速Ulocal,局部相对风速Ur.local关系为:将式5、7、8带入式6可得:

同时,来流风速为U,有:

CD,localU2local=CDU2   (10)令:

得到:

则将式10、式11和式12带入式9可得:

将式13带入式3可得:

式14即为下游圆柱的运动微分方程,根据S2中得到的平均阻力系数CD、平均升力系数CL的表达式,通过直接求解其运动微分方程模拟其运动相关数据。

2.根据权利要求1所述的一种考虑运动气动力的尾流下弹性支撑圆柱驰振分析方法,其特征在于,S1中,采用流体力学软件FLUENT,模拟计算了分别为T/D=0,T/D=0.5,T/D=

1,T/D=1.5,T/D=2对应L./D=1.5,L./D=2,L./D=2.5,L./D=3,L./D=3.5,共30个工况,用于计算平均升阻力系数在空间的分布。

3.根据权利要求1所述的一种考虑运动气动力的尾流下弹性支撑圆柱驰振分析方法,其特征在于,S2中,平均阻力系数CD采用X五次Y四次曲面拟合,平均升力系数CL采用X三次Y五次曲面拟合。

4.根据权利要求1所述的一种考虑运动气动力的尾流下弹性支撑圆柱驰振分析方法,其特征在于,S2中,用FLUENT建模,考虑流固耦合进行两个圆柱在运动状态下的平均升阻力分析,得到的真实的平均升阻力系数CD、CL,对原平均升阻力系数进行差值修正。

5.根据权利要求1所述的一种考虑运动气动力的尾流下弹性支撑圆柱驰振分析方法,其特征在于,尾流驰振运动微分方程数值求解方法为:对建立的运动微分方程组采用四阶的Runge-Kutta法进行数值方法求解,过程如下:给定的微分方程表示为:

这里t表示时间,将二阶非线性微分方程转换为一阶,令:其中初值条件为:

又有:

那么方程组可转化为:

然后使用Runge-Kutta同时求解,对于式23和式25迭代方程为:对于式24和式26则迭代方程组为:

这里h为时间间隔,可以自行确定。根据迭代方程组式,使用MATLAB编制迭代程序进行求解。