1.一种尾流下弹性支撑圆柱驰振流固耦合分析方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、建立单圆柱在流体作用下的驰振模型,包括:
将单圆柱在流体作用下的驰振模型近似简化为一个弹簧振子系统,所述弹簧振子系统包括平设的圆柱,所述圆柱下端通过弹簧、阻尼器进行支撑,忽略圆柱扭转自由度的影响,只考虑两个平动自由度,将弹簧振子系统中单位长度圆柱的质量、弹簧的刚度和阻尼器的阻尼分别用M、K和C表示,将弹簧振子系统的两自由度振动模型用如下的方程表示:式中,x、y分别为圆柱平行于流向和垂直于流向的位移,一次导数 为对应x、y方向的圆柱的速度,二次导数 为对应x、y方向的圆柱的加速度;FD(t)和FL(t)为单位长度圆柱平均受到的升力和阻力;
对流体的流场进行数值求解,得到两个关于时间的力函数FD(t)和FL(t)的表达式:式中,U∞为来流的速度;ρ为空气的密度;D为圆柱的直径;CD(t)、CL(t)为单位长度圆柱平均受到的升力系数和阻力系数;
S2、定义计算流体力学软件数值模拟需用到的参数,包括:
折减风速Vr的定义如下:
式中,fn为导线结构体系的固有频率,
无量纲位移X和Y的定义如下:
式中,x为导线顺着来流方向的位移;y为导线的垂直于来流方向的位移,D为导线的直径;
振幅Ax、振幅Ay的定义如下:
振幅Ax表示在振动时,圆柱在顺着来流方向离开平衡位置最大位移的绝对值;振幅Ay表示在振动时,圆柱在垂直于来流方向的振动时离开平衡位置的最大位移值的绝对值,表达式为:AX=0.5×(Xmax‑Xmin) (6)
AY=0.5×(Ymax‑Ymin); (7)
S3、基于CFD的流固耦合计算
在进行流固耦合的计算时,需要进行求解的区域包括流体区域和结构区域,将流固耦合分为流固弱耦合和流固强耦合分别求解;对于流体区域求解时,采用流体数值计算软件完成,对结构区域求解时,将尾流作用下的圆柱近似简化为S1中的弹簧振子系统,然后求解;
S4、采用计算流体力学软件对双圆柱在流体作用下的振动模型进行数值模拟,包括:S41、建立流域;
S42、对流域进行网格划分;
S43、设置边界条件;
S44、设置时间步长;
S45、模拟结果及分析
将S2中所定义参数所得到的模拟结果与实验数据对比,并对比较结果进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种尾流下弹性支撑圆柱驰振流固耦合分析方法,其特征在于:S3中,在求解流固弱耦合问题时,首先在流体计算软件中对流域进行求解,获得结构壁面上的荷载,再将荷载带入结构体系进行结构响应求解,之后再将结构响应反馈给流场,流场更新网格,循环后最终实现流固耦合。
3.根据权利要求2所述的一种尾流下弹性支撑圆柱驰振流固耦合分析方法,其特征在于:采用Newmark‑β求解结构响应。
4.根据权利要求1所述的一种尾流下弹性支撑圆柱驰振流固耦合分析方法,其特征在于:S4中,计算流体力学软件采用ANSYS Fluent。
5.根据权利要求1所述的一种尾流下弹性支撑圆柱驰振流固耦合分析方法,其特征在于:S41中,流域入口边界宽20D,上游圆柱距离入口边界10D,双圆柱距离出口边界为20D,下游圆柱有一个可以X方向自由运动的宽5/3D的运动带,以及一个可以Y方向运动的宽5D的自由运动带。
6.根据权利要求1所述的一种尾流下弹性支撑圆柱驰振流固耦合分析方法,其特征在于:S42中,采用ICEM软件对流域进行网格划分,采用结构化网格对单圆柱外流场进行网格划分,将单圆柱周围的网格加密对应圆柱绕流,采用o型网格并设置划分尺寸使得单圆柱试件周围网格内密外疏。
7.根据权利要求6所述的一种尾流下弹性支撑圆柱驰振流固耦合分析方法,其特征在于:将流域划分为五个区域,每一个区域在设置动网格命令时分别指定其运动规则,各个区域之间通过Interface进行连接,实现数据的传递和交换。
8.根据权利要求1所述的一种尾流下弹性支撑圆柱驰振流固耦合分析方法,其特征在于:S43中,流域入口采用速度入口边界条件,流域出口采用压力出口边界条件,上下壁面均采用对称边界条件,流动选为非定常流动,湍流强度设置为5%。
9.根据权利要求1所述的一种尾流下弹性支撑圆柱驰振流固耦合分析方法,其特征在于:S44中,选定的时间步长如下:在雷诺数大于10000的工况选择0.0004s,在雷诺数小于
10000的工况选择时间步长t=0.004s,以到达减少计算时间又保证计算准确性的目的。