CFD-半解析模型混合的管束结构流弹失稳预测方法

横向流作用下管束结构传统流弹失稳模型的建立或多或少需要获取实验流体力参数作为输入条件.因此非常需要开发一种不依赖实验数据的管束结构流弹失稳模型.该文提出了一种改进的CFD仿真与半解析方法混合的管束结构流弹失稳预测方法.采用CFD仿真方法获取半解析模型中关键的相位延迟函数,并根据速度将其表示为简单的分段函数.最终预测了横向流作用下间距比为1.375的平行三角形与正三角形管束结构的流弹失稳阈值,预测结果与文献中的实验结果吻合良好.该文提出的CFD 半解析模型混合方法同样适用于其他管束结构的流弹失稳预测,为蒸汽发生器传热管流弹失稳现象的研究提供了一种时间成本较低的预测方法.     

三维横向流体诱发直管振动的数值模拟

基于有限体积法和有限元法,结合动网格控制技术,建立了横向流体作用下三维弹性直管流致振动计算的数值模型,实现了计算结构动力学与计算流体力学之间的联合仿真．首先,通过对刚性管的静止绕流计算,研究了网格离散方式和不同湍流模型对圆柱类结构静止绕流流场特征的影响和预测能力,得到了适用于双向耦合分析的CFD模型;其次,利用基于双向流固耦合方法的流致振动模型,计算并分析了流体力与结构位移间的相位关系,指出流体力与位移间的相位差是由流体力引起的,同时对双向耦合和单向耦合进行了比较分析;最后通过对直管流致振动的数值计算,联合管表面压力、尾流区时均速度、分离角等时均量,分析了尾流区的流场特征.     

直管束流固耦合振动的数值模拟

为了研究反应堆结构中的诸如燃料棒、蒸汽发生器和其它换热器传热管束等的流体-结构交互作用问题,利用有限体积法离散大涡模拟(large eddy simulation, LES)的流体控制方程,用有限元方法求解结构动力学方程,并结合动网格技术,建立三维流体诱发振动的数值模型,模拟直管束中流体的流动及结构振动,实现计算结构动力学(computational structure dynamics, CSD)与计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)之间的联合仿真．首先,基于流固耦合方法对单管的流致振动特性进行了详细分析,得到了其动力学响应与流场特性;其次基于建立的传热管束流致振动计算模型,研究了两并列管、两串列管以及3×3正方形排列管束的流致振动行为．     

有限流体域内不同位置处的柔性管涡致振动机理研究

针对有限流体域内柔性管的涡致振动问题,将柔性管离散为若干空间梁单元,流体域采用实体单元离散,建立了有限流体域内柔性管系统的流固耦合模型及数值计算方法,设计并加工圆柱流体域内柔性管振动专用实验装置,采用GWT-2B双轴加速度传感器对柔性管的振动进行监测,并与数值模拟结果进行对比,吻合程度较好.基于该文的模型和方法,对圆柱流体域内不同位置处柔性管的涡致振动机理进行研究.结果表明,柔性管偏离入口流速位置的角度越大,越容易发生流体弹性不稳定性,柔性管的振动愈剧烈;而正对入口流速的位置,不易发生流体弹性不稳定性,柔性管振动减弱.     

圆筒流体域内管束振动与碰撞接触的流固耦合动力学方法研究

在海洋平台、核电站、石油石化等工业中,海洋从式井组隔水管、换热器管束等在流体作用下,可能诱导管束振动过大,引起管束之间碰撞,从而导致管束失效.这是一种典型的管束振动与碰撞接触的流固耦合动力学问题.但管束与流体耦合动力学及其碰撞接触的研究成果还未见报道.该文针对管束振动与碰撞接触非线性动力学问题,以三维管束及圆筒流体域内的非定常流体为研究对象,不仅考虑流固耦合界面位移、速度协调以及载荷平衡条件,还考虑管束接触边界以及流体域耦合边界拓扑结构的改变,建立了圆筒流体域内管束振动与碰撞力学模型及算法.算例结果表明,在圆筒流体域内,弹性管束发生接触碰撞时,流体压力在管束接触点处相等,且流体在管束侧流面流动较快.     

弹性地基输流管道的耦合模态颤振分析

推导出了弹性地基输流管道的固-液耦合振动微分方程,用幂级数法计算了Winkler模型地基和双参数模型地基输流管道的临界流速和复频率,分析了弹性地基对输流管道静力稳定性与动力稳定性的影响.结果表明,与不考虑弹性地基的情况相比较,弹性地基的作用可使管道发生静力失稳和动力失稳的临界流速增大,并且增大弹性地基参数可提高静力失稳和动力失稳的临界流速,从而推迟发散与颤振的发生.当质量比β较大时,管道会在某个地基参数组合下,在发生静力失稳后,会在较高流速下出现再稳定和再发散现象,然后发生耦合模态颤振.     

冰下流场动力学特性的数值模拟研究

在控制海冰运动的各项外力中,风、流的拖曳力起到了决定性作用;其中流拖曳力包括由于冰侧或冰脊压力梯度产生的形拖曳力和由于水流在冰底面的粘性作用产生的摩拖曳力.基于计算流体动力学软件FLUENT针对光滑冰底冰块进行二维数值模拟,分别得到5种不同入水深度、8种水流速度共40种工况下的冰下流场分布及冰块所受流体拖曳力.经对比发现,数值计算结果与物理模型实验结果吻合较好,从而验证了该数值模型在模拟冰下流场及拖曳力时的有效性.流场计算结果显示,冰下受影响流场区域随入水深度增加而扩大,尾流场近浮冰区域存在涡流,并且涡动中心随着入水深度的增加而逐渐远离浮冰尾部.拖曳力计算结果表明浮冰所受拖曳力与流速平方存在线性关系.     

柔性输流管泄流效应实验研究

基于模型试验研究了柔性输流管在恒定内流速度下由泄漏孔引入的泄流效应.研究发现:泄流效应可改变临界值,使得形变随流速增大近似线性增大;增加管道失稳时的形变幅值,可激发不同输流管的系统模态,引起管道多个频率的振动响应.研究结果为管道运输泄漏点定位提供了支撑,为数值模拟提供了实验参照.     

饱和多孔弹性杆流固耦合动力响应的保结构算法

研究了不可压饱和多孔弹性杆的流固耦合动力响应问题.基于多孔介质理论,根据多孔介质流固混合物动量方程、孔隙流体动量方程及体积分数方程,建立流固耦合不可压饱和多孔弹性杆的轴向振动方程;引入正则变量,构造饱和多孔弹性杆轴向振动方程的广义多辛保结构形式、广义多辛守恒律及广义多辛局部动量误差;采用中点Box离散方法得到轴向振动方程的广义多辛离散格式、广义多辛守恒律数值误差及局部动量数值误差;数值模拟不可压饱和多孔弹性杆的轴向振动过程及流相渗流速度分布,考察了流固两相耦合系数对轴向振动过程及广义多辛守恒律误差和局部动量误差的影响.结果表明,已构造的广义多辛保结构算法具有很高的精确性和长时间的数值稳定性.     

蠕动流中圆球阻力系数的入口效应

本文研究了圆球在半无穷长圆管入口处的蠕动流。得到了速度分布,压力分布和流函数的无穷级数形式的分析解.采用配置法将无穷级数截断并确定出级数中各项系数.求出了均匀入口流绕静止圆球以及圆球以瞬时速度在管内静止流体中运动这两种情形下圆球的阻力系数以及圆球表面上的应力分布.结果表明,当圆球在入口处运动时会遭受到较无穷圆管内为大的阻力.本文还对配置法的收敛性进行了数值实验.试验证明,该法具有好的收敛性.     

部分函数线性变系数模型的样条估计及其应用

本文针对Tecator数据介绍一种新的模型一部分函数线性变系数模型,并基于样条估计方法得到了模型中未知系数函数的估计,同时在适当的条件下给出了系数函数估计及模型均方预测误差的收敛速度。通过数值模拟说明本文所提估计方法的有效性。最后基于该模型对Tecator数据进行了统计分析。     

三维弹性管的涡致振动特性分析

采用有限体积法联合大涡模拟方法求解三维湍流流场,采用有限元法离散弹性管结构,对Re=1.35×104的湍流流动作用下三维弹性管的涡致振动进行了数值模拟,结构的动力学响应用Newmark算法来求解,管的运动采用基于扩散光顺方法的动网格模型来实现.利用建立的数值模型,分析了升力系数、阻力系数、位移、涡脱频率、相位差随频率比的变化特征,成功扑捉到锁定、相位开关,并联合运动轨迹、相图及Poincaré截面映射,研究了升力系数与横向位移的极限环与分叉等非线性特性.研究结果表明,在阻力系数的最小值处,横向振幅达到最大值,同时,横向响应的"锁定"也始于阻力系数最小值处;在"锁定"范围内,横向振幅随着频率比的增大而逐渐减小;在升力系数的最小值处,升力系数与位移间的相位由反相变为同相;在均匀湍流流动作用下,三维弹性管的升力与横向位移并未出现周期解的分叉.     

水平环空井筒内流体携砂影响因素研究

基于流体动力学和液固两相流流动理论,建立了砂粒在环空液体中运移的流动模型.在忽略固相颗粒在液相中微观运动状况的基础上,通过数值模拟的方法,研究岩屑在不同流动参数下的运移规律,揭示砂粒在流体流动中的运动规律.研究结果表明,流体粘度和入口流量两个参数对固液两相流动中岩屑的运移影响较大.入口流量和流体粘度增加,流体对岩屑的携带作用增强,且携带的颗粒直径也变大.     

基于Schwarz-Christoffel变换的非圆截面血管流场分布研究

应用Schwarz-Christoffel(S-C)变换方法,实现从复平面单位圆到多边形区域的共形映射,结合圆形管道下完全发展脉动流的Womersley算法理论,建立了基于S-C映射的非圆入口截面下的Womersley速度边界模型.在边界模型建立的基础上,应用计算流体力学方法,对基于生理真实的人体肺动脉二级分支血管在一个心动周期内的血流流动情况进行了数值模拟,并与通过外接圆管法设定入口速度边界条件得到的流场模拟结果进行了对比分析.分析结果表明,两者的模拟结果高度一致,但考虑到模拟效率和数值模拟结果的确定性,基于S-C映射的Womersley速度边界模型优于外接圆管方法,对于血管血流动力学的模拟研究更具有现实意义.     

空间分数阶非Newton流体本构及圆管流动规律研究

对非Newton流体的本构及流动规律进行研究是分析、预测和控制非Newton流体在管道中流动的关键.实验表明非Newton流体在流动过程中具有历史记忆性,基于空间分数阶微积分方法,建立了分数阶非Newton流体本构模型;并推导了该模型在圆管中的流速分布、流量、平均流速、压降、平均Reynolds数等管道流动参数;提出了分数阶非Newton流体圆管流态判别准则.研究表明非Newton流体的圆管流层间的切应力可以通过流速的轴向分布大小来描述.对于不含屈服切应力的分数阶非Newton流体,分数阶的阶数越大,断面流速分布越均匀,记忆能力越强.分数阶的阶数大小反映了流体对全域空间的记忆性强弱;而对于含有屈服切应力的分数阶非Newton流体,分数阶的阶数越大,速梯区流速分布越均匀,流核区速度越小.分数阶的阶数大小反映了局部空间记忆性强弱.该研究为非Newton流体的记忆特征提供了一种新的建模方法.     

移动荷载作用下黏弹性地基-Timoshenko梁振动响应对比分析

基于Fourier变换方法,对移动荷载作用下三维、二维和一维轨道-地基模型的振动响应特征进行了研究,将轨道视为Timoshenko梁,比较了不同速度和地基厚度下各计算模型之间的响应差异.研究结果表明:三维模型存在一个地基等效刚度,为波数和频率的函数.二维和三维模型的临界速度较为接近,但比一维地基梁模型要小得多.荷载速度小于地基临界速度时,三维模型的梁挠度幅值最小,二维模型次之,一维模型梁挠度最大.当荷载速度达到或超过临界速度时,二维模型的梁挠度幅值变得最大,此时三者的挠度时程曲线存在明显差别.二维和三维模型的地层水平位移幅值先随地基深度增加而增大,在某一深度达到最大值后随深度增加逐渐减小,竖向位移幅值则随深度的增加逐渐减小.     

纤维悬浮槽流空间模式稳定性分析

采用扰动的空间发展模式而非通常的时间发展模式,对含有悬浮纤维的槽流进行了线性稳定性分析。建立了适用于纤维悬浮流的稳定性方程并针对较大范围的流动Re数及扰动波角频率进行了数值求解。计算结果表明,纤维轴向抗拉伸力与流体惯性力之比H可以反映纤维对流动稳定性的影响。H增大使临界Re数升高,对应的扰动波数减小,扰动空间衰减率增加,扰动速度幅值的峰值降低,不稳定扰动区域缩小,长波扰动所受影响相对较大。纤维的存在抑制了流场的失稳。     

血液流动模拟方法对比分析

对现有主要血液流动模拟方法进行了对比研究.以单个直血管为研究对象,分别用牛顿单相流模型、非牛顿单相流模型、液固两相流剪切稀化模型、液固两相流颗粒动力学模型和血液两相流修正模型计算了血液流场,然后对比了五种模型模拟得到的血液动力学参数:血液流速、红细胞体积分数、流体粘度和壁面剪切应力.结果表明:血液组成和粘度方程的选择对血液速度场计算结果有明显影响;流体本构方程和升力公式对壁面剪切应力计算结果均有明显影响;液固两相流颗粒动力学模型计算得到的血液粘度远偏离正常的血液粘度,模型不适用于模拟稳态血液流动;血液两相流修正模型可以较准确模拟红细胞在血管内的径向分布及其影响.研究结果可为今后相关研究中血液模拟方法的选择提供指导.     

横向流激励下绳索的扩张和回转运动

基于横向流激励下绳索的微段受力分析,建立了横向流体对绳索作用力的解析表达.借助坐标变换,将绳索的运动表示为扩张和回转两部分.在此基础上,分析了小垂跨比绳索的流激振动问题,对无伸张态临界流速、平衡解稳定性、重力对绳索运动的影响等问题进行了讨论.     

微曲输流管道振动固有频率分析与仿真北大核心CSCD

首次建立了基于Timoshenko梁理论的微曲输流管道横向振动的动力学模型,并分析了流体流动影响下微曲管道横向自由振动的固有特征.采用广义Hamilton原理,导出了考虑流体影响的微曲管道横向振动的控制方程,通过Galerkin截断对控制方程离散化,再由广义本征值问题得到管道横向振动的固有频率,并研究了液体流速和弯曲幅度对管道横向固有振动特征的影响.发展了基于等效刚度和等效阻尼方法的考虑流体影响的微曲管道振动分析的有限元仿真计算方法,并通过有限元软件实现数值仿真,验证了Galerkin截断的分析结果以及所建立的Timoshenko微曲管道动力学模型的有效性.研究表明,流体的流速以及管道的弯曲幅度对管道横向振动固有频率均有显著影响.