潮流能水轮机叶轮压力脉动特性分析

潮流能水轮机周围流场的压力脉动是影响水轮机运行稳定性的关键因素之一。基于CFD单、双向流固耦合方法和滑移网格技术,对水平轴潮流能水轮机叶轮实施了三维数值模拟。通过分析水轮机周围流场的非定常流动,得到了三种不同工况下叶轮的应变特征、各监测点的水压力脉动和频域振动特性。计算结果显示:双向流固耦合计算得到的最大变形量与最大应力值均较单向流固耦合时略大,随着水流速度的增加,叶轮叶片的应变量增幅与有效应力增幅逐渐降低;水轮机的压力脉动幅值由叶尖到叶根基本呈递减趋势;水轮机压力脉动的主频率集中在相应工况的叶频附近,且水轮机叶片背面的压力脉动比正面的波动程度要剧烈。     

考虑流体附加质量的输流管道振动特性分析

针对管内流体激励(flow-induced vibrations,FIV)引起的结构振动问题,考虑单向流固耦合作用,通过引入附加质量分析内流流速对结构振动特性的影响。以两端固定支撑输流直管作为研究对象,利用数值方法模拟不同流速下管内的流动状态,获取流体压力系数、湍动能及管道结构位移响应。基于单向耦合振动机理,建立管道流固耦合附加质量模型,采用FEM方法展开结构模态分析,计算流体作用于结构的附加质量和固有频率。数值仿真结果表明:内部流体流速对管道结构振动有较强的耦合作用,流速增加使得耦合附加质量增大,且存在临界流速使管道发生静态屈曲失稳现象。与经验公式对比,该计算结果在10%的误差范围内能更准确地反映流体对结构振动的单向耦合作用。因此,提出的方法能够应用于单向耦合振动问题分析,并为研究流固耦合对结构动力特征影响等管内流动的FIV问题提供思路。     

高速船舱壁加筋板流固耦合振动分析

将结构有限元法和流体有限元法结合起来,根据Garlerkin法和Hamilton变分原理分别推导出离散的流体和结构的运动方程,用湿模态法求得流体附加质量矩阵,对高速船舱壁加筋板流固耦合系统进行了模态分析。并进行模态试验,研究不同水深时舱壁加筋板结构流固耦合振动模态,同时与有限元计算结果进行比较,从而揭示了该类结构流固耦合振动的动力特性,对舱壁加筋板结构的动力设计具有指导意义。     

基于谱单元方法的平板冲击流固耦合研究

假设流体无粘且无旋,计及流体中的气穴现象,采用谱单元方法建立水下爆炸瞬态流固耦合的三维数值模型,探讨了水下爆炸瞬态流固耦合作用的机理,用经典的平板冲击问题对数值模型进行验证,数值结果与解析解吻合良好,并根据数值结果绘制了流体中的气穴区域,对气穴效应进行分析,分析显示,气穴效应会对结构响应产生很大影响,在计算中应予以考虑。基于本文建立的数值模型,在不同网格细化的条件下,分别采用谱单元方法和有限元方法对弹簧——平板模型进行水下爆炸瞬态流固耦合问题的求解,并在此基础上对谱单元方法和有限元方法进行对比研究,研究发现,谱单元方法在提高精度的同时能大量节省计算时间,可较好地应用于水下爆炸流固耦合问题的求解中。本文旨在为相关水下爆炸瞬态流固耦合的研究提供参考。     

强耦合流激振动的建模及求解的预测多修正算法

将基于Lagrangian描述的结构振动问题与基于Eulerian描述的不可压缩粘性流动问题通过流-固系统的功率耗散平衡在广义变分原理的框架下统一,建立了描述强耦合流激振动的有限元控制方程。采用将Newmark法和Hughes预测多修正法相结合的求解策略,提出了基于稳定有限元法求解小变形弹性结构强耦合流激振动的计算方法,用于计算复杂边界条件下的流激振动问题。以三维混流式水轮机叶道为例的数值算例表明,模拟结果与试验实测结果吻合较好。     

超弹性柔性结构与流体耦合运动的浸入边界法研究

浸入边界法是模拟大变形柔性弹性结构和粘性流体相互作用的重要数值方法之一。该文有效结合传统的反馈力方法和混合有限元浸入边界方法,对圆柱和方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动问题进行数值模拟。其中,固体采用超弹性材料,利用有限单元法求解,流体为不可压缩牛顿流体,使用笛卡尔自适应加密网格,利用有限差分法进行求解。通过数值计算,得到柔性超弹性结构的耦合振动特性和流场动态分布特性,并将计算结果同其他文献计算结果进行比较,验证了该耦合计算方法的可靠性。     

流固耦合问题的PD-SPH建模与分析

针对涉及结构变形破坏的流固耦合(Fluid-structure interaction, FSI)问题,提出一种基于虚粒子和排斥力的近场动力学(Peridynamics, PD)-光滑粒子动力学(Smoothed particle hydrodynamics, SPH)耦合方法。结合PD方法求解不连续问题以及SPH方法在流体模拟方面的优势,分别采用PD方法与SPH方法求解固体域和流体域,并通过流体粒子-虚粒子接触算法处理流-固界面,既能利用粒子间排斥力有效防止粒子穿透现象发生,又能利用虚粒子修正流体粒子的边界缺陷,提高计算精度。采用PD-SPH耦合方法模拟静水压力作用下的铝板变形问题以及溃坝水流冲击弹性板问题,所得结果与解析解或其它数值结果吻合良好,验证了耦合方法的可行性和有效性。进一步应用耦合方法模拟了流体作用下的结构变形、破坏以及破坏后部分结构运动全过程,验证了PD-SPH耦合方法在流固耦合-结构破坏问题模拟方面的适用性。     

风力机叶片流固耦合计算的降阶模型研究

针对风力机叶片流固耦合计算复杂,耗时量大的局限性,建立了一种风力机叶片的弱耦合计算降阶模型。采用本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法建立流固耦合计算中空气流体方程的降阶模型,利用POD方法将流体控制方程的速度和压力等未知量进行基模态分解并用一小部分空间模态表示,对流体方程进行时间离散,在既有缩减空间上采用Galerkin投影方法获得流体控制方程的最小残差投影,构造流体方程的最小残差降阶模型。再将流体降阶模型与风力机叶片进行流固耦合计算。将该降阶模型应用于经典NREL V风力机叶片的流固耦合计算中,对比了该降阶模型和经典Galerkin法的时间离散系数;计算得到了风力机叶片的受力和变形变化特征,并与CFD结果进行了对比,结果表明了该降阶模型的正确性和有效性。最后对比了该降阶模型和全阶模型的计算效率,结果表明降阶模型的计算效率有较大幅度提高,节约了大量机时。提出的降阶模型是正确有效的,达到了准确高效进行风力机叶片流固耦合计算的目的。     

强耦合法在膜结构风振流固耦合分析中的程序实现与应用

研究强耦合整体方法在膜结构风振流固耦合效应分析中的程序实现与应用。基于强耦合整体式方程,介绍了采用Fortran语言编写膜结构流固耦合效应计算程序的实现过程,以及程序实现中需要的数值计算方法。对计算程序中的重要求解步骤进行了分析,介绍了相应程序的实现过程。最后将强耦合整体方法计算程序应用于典型膜结构的风振流固耦合计算中,得到了结构在不同风向角下考虑和不考虑耦合效应时的风压系数,其结果与已有风洞试验结果基本一致。同时计算了膜结构的风振响应和周围流场的分布。结果证明提出的强耦合整体方法程序适用于计算膜结构风振中的流固耦合效应,结果正确可靠     

基于流-固耦合传热的冷坩埚分瓣散热研究

针对冷坩埚真空悬浮熔炼装置散热系统的复杂性和重要性,本文使用了一种基于整场离散的冷坩埚冷却系统和冷却水之间耦合分析的方法。首先分析了流固耦合的基本原理及关键问题,建立了冷坩埚冷却系统流固耦合传热的物理模型及计算模型,通过CFX仿真计算软件对其冷却系统的流-固耦合传热模型进行了求解,得出了冷坩埚循环水套流体区域的流场、压力分布及固体区域的温度场,并对计算结果进行了分析。实验结果表明:冷却水在水套内流动顺畅,总体速度分布均匀,有利于冷却水对冷坩埚分瓣结构的冷却;冷坩埚整体温度从冷坩埚中心至外端依次递增,最高温度出现在冷坩埚最外端的边缘区域,温度分布从低至高自然过度,温度梯度变化缓慢,不易产生局部高温和热应力。