平行结构流固耦合振动特性的研究

本文以多片平行悬壁板为模型，对平行结构流固耦合振动特性问题从理论上进行了探讨，导出了便于分析计算的理论表达式，并进行了计算与实验验证。结果说明，分析方法正确，对于分析实际水工结构的完全流固耦合问题具有实现意义。     

黏性流体环境下V型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

V型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用, 该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂, 直接影响器件的动态性能.本文针对V型结构变截面、变刚度等复杂几何特征, 建立了黏性流体环境下V型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型, 导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数, 确定了截面孔宽比和频率参数影响下V型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中V型梁结构的频率响应特性.同时, 设计了多种不同几何尺寸的V型梁结构, 并在水环境中开展了实验验证, 结果表明, 实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好, 验证了V型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外, 基于该流固耦合动力学模型, 详细分析了不同流体黏度、V 型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.      

双层旋转壳流固耦合振动有限元分析

本文采用旋转壳体元和流体元分析了双层旋转壳体流固耦合振动特性,基于Novozhilov壳体理论、水弹性理论以及Hamilton变分原理推导出耦合系统运动方程,计算结果与实测值比较表明本分析方法有较好的精度。     

微细三角柱流固耦合动态特性的三维数值研究

在三维双向流固耦合计算基础上使用动网格方法,通过求解不可压缩粘性流体的N-S方程,数值研究了低速流速下(2.5m/s~15m/s)气体绕流微细三角钝体的耦合动态特性及涡激振动特性,得到了运动微细三角柱的升力系数、涡脱频率和振动振幅。观测到了微细三角柱的"锁振"和"拍"现象。接着计算了相同流场条件下的相同尺寸二维三角柱双向流固耦合涡激振动,并将结果与文献及本文中三维模型进行对比发现,三维模型的升力系数的平均幅值、涡脱频率和斯特劳哈尔数较之本文及文献中的二维数值模型较小。     

液压换向阀的耦合水击振动特性研究

以某型舵机操纵液压换向阀为例,运用特征线法,对其由于自激振动以及启闭动作产生水击诱发非线性耦合振动现象的机理进行理论分析,获得换向阀水击振动的动态特性.通过实验验证,换向阀控制口水击压力幅值与计算结果偏差为2.87%,且压力变化趋势与计算结果基本一致.该结果可为掌握液压系统的振动特性、采取振动控制措施以及换向阀的设计和改进提供理论依据.     

载流曲管声—弹耦合振动高阶模态的稳定性及其能量分布

讨论了载流曲管声－弹耦合振动的高阶模态及其稳定性，研究结果表明系统的耦合振动与流体和结构之间的刚性比α，截面特性比γ及质量比β有直接关系。α和γ的乘积ζ是系统特征值及稳定性的重要影响参数。文中给出了两端固支载流曲管前三阶失稳频率所对应的ζ。为了更好地解释耦合系统的振动特性及稳定性，还研究了曲管声－弹耦合振动的能量分布     

规则横浪作用下船舶流-刚耦合振动计算

基于动力学基本方程,首先建立了刚性船舶横摇的耦合振动方程,然后给出了在规则横浪激励下的耦合振动方程的定解条件和一阶常微分方程组,最后通过算例计算了在规则横浪作用下船舶的振动规律,同时研究了阻尼系数等参数对其振动规律的影响情况.算例分析结果与实际情况定性结论比较吻合,从而为此类船舶的振动分析提供参考.     

风场中长单索结构流固耦合效应的动力学分析

本文介绍了长单索结构的风致振动现象及传统单索动力计算方法,分析了进行流固耦合计算的必要性.详细阐述了流固耦合的基本理论和方法,并介绍了有限元软件ANSYS的流固耦合计算流程.根据两种工况下的流固耦合算例分析,给出了长单索结构跨中节点的位移、应力以及索表面风压等物理量的时程曲线,通过对不同工况以及不同流场模型的模拟和分析比较,探讨了基于流固耦合分析的长单索结构风致振动响应的特点,对长单索结构的风致振动分析和设计具有参考意义.     

水中高压脉动气泡与浮体流固耦合特性研究

本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究, 采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟, 利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度, 同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性. 实验中, 采用水下放电技术生成气泡, 使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应. 首先对比数值与实验结果, 二者吻合良好, 验证了数值计算模型的有效性和正确性. 然后通过对气泡与浮体的无量纲距离$\gamma_{s} $ (气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现: (1) $\gamma_{s} $从0.2增大至2时, 气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究,采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟,利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度,同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性.实验中,采用水下放电技术生成气泡,使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应.首先对比数值与实验结果,二者吻合良好,验证了数值计算模型的有效性和正确性.然后通过对气泡与浮体的无量纲距离γ_s(气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现:(1)γ_s从0.2增大至2时,气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(0.2≤γ_s≤0.3)、接触射流(0.4≤γ_s≤0.6)、非接触射流(0.7≤γ_s≤1)、对射流(1.1≤γ_s≤1.3)和反射流(1.4≤γ_s≤2)等5种典型射流模式;(2)正射流速度随γ_s先增大后减小再增大,并且当0.7≤γ_s≤0.9时,速度可达约1000 m/s;反射流速度随γ_s增大而增大;(3)在本文实验条件下,γ_s1.5时浮体对气泡的Bjerknes吸引力强于自由液面的Bjerknes排斥力导致气泡在坍塌阶段向浮体迁移;当γ_s≥1.5时自由液面对气泡的排斥作用更强,气泡在坍塌阶段远离自由液面.     

多跨管道流固耦合振动的波传播解法

采用Timoshenko梁模型提出了求解多跨管道流固耦合振动的波动方法.借助边界处的几何连续条件和力平衡条件,得到了波在固支、简支和自由三种端部条件下的反射模型;建立了波在中间弹性支撑处的散射模型;结合以上散射模型,得到了多跨管道流固耦合振动的频率特征方程;通过计算两端简支管道的临界流速,验证了所建立模型的正确性.最后,计算了一段40m长、七跨管道在三种工况下的前五阶固有频率.计算结果表明:波传播方法具有易于编程、执行效率高和计算精度高的优点.     

圆筒内横向流体与弹性管耦合的分域求解算法

海洋丛式井组隔水管和换热器管束等在流体作用下,会诱导管束振动及碰撞,导致管束断裂失效。将弹性管离散成梁单元,采用非线性结构动力学方程描述;将圆筒流体域离散成实体单元,采用计算流体动力学方程描述。在流固耦合界面处,推导了界面位移、速度和载荷计算公式及收敛判断准则,建立了圆筒内横向流体与弹性管耦合的分域求解算法。算例表明,其分域与全域求解计算结果吻合较好,本文算法为复杂流体域内多根管束的振动及碰撞问题求解提供行之有效的计算方法。     

Efficient coupling of direct forcing immersed boundary-lattice Boltzmann method and finite element method to simulate fluid-structure interactions

Fluid-structure interactions (FSI) of rigid and flexible bodies are simulated in this article. For the fluid flow, multidirect forcing immersed boundary method (IBM) is adopted to capture the moving boundary, and lattice Boltzmann method (LBM) is used to evolve the flow field. Compared with our previous no-penetration IBM, less iterations are required in this work. In addition, larger velocity in lattice units can be used and the nonphysical force oscillations are suppressed due to the C³ 6-point kernel. Multi-relaxation-time collision operator and local grid refinement are also adopted in LBM to enhance the numerical stability and efficiency. To improve the efficiency of the FSI coupling algorithm, the mesh of the deformable structure can be coarser than the Lagrangian mesh using Newton-Cotes formulas to integrate the traction on the structure surface. A variety of benchmarks, including flow around a circular cylinder with Reynold number ranging from 20 to 200, forced oscillation of a circular cylinder, vortex-induced vibration (VIV) of an elastically mounted circular cylinder in two degrees of freedom, and VIV of an elastic cantilever beam attached to a circular cylinder, are carried out to evaluate the accuracy and stability of the present coupling algorithm. For the benchmark FSI problem considered in this article, a reduction of 54% of the calculation time is achieved using coarser structure mesh. As an application of the FSI coupling algorithm, the mechanism of an elastic beam in the wake of a circular cylinder is discussed.     

Laplace transform-boundary element coupling method for viscous fluid-structure impact analysis

Based on linearized 2-D Navier-Stokes equation, a Laplace transform-boundary element coupling method for viscous fluid-structure impact analysis is proposed. Under assumption of incompressibility for the fluid, the corresponding equivalent boundary integral equation in terms of the potential function and stream function is first established by Lamb's transform in the Laplace transform domain. It enables us to solve impact water problems in frequency domain by the boundary element method, in which the effect of viscous flow on the dynamic response can be taken into account. Then a complete solution of the problem under consideration in time domain is obtained by means of Durbin's formulas for the numerical inversion of the Laplace transform. Finally, a practical example is given to confirm the validity of the present method. Project supported by the National Defence Foundation of Science & Technology of China (No. J14. 8. 1. JW0515).     

Improved frequency modeling and solution for parallel liquid-filled pipes considering both fluid-structure interaction and structural coupling

The dynamic characteristics of a single liquid-filled pipe have been broadly studied in the previous literature. The parallel liquid-filled pipe (PLFP) system is also widely used in engineering, and its structure is more complex than that of a single pipe. However, there are few reports about the dynamic characteristics of the PLFPs. Therefore, this paper proposes improved frequency modeling and solution for the PLFPs, involving the logical alignment principle and coupled matrix processing. The established model incorporates both the fluid-structure interaction (FSI) and the structural coupling of the PLFPs. The validity of the established model is verified by modal experiments. The effects of some unique parameters on the dynamic characteristics of the PLFPs are discussed. This work provides a feasible method for solving the FSI of multiple pipes in parallel and potential theoretical guidance for the dynamic analysis of the PLFPs in engineering.     

基于ANSYS ACP的复合材料螺旋桨流固耦合计算方法

针对复合材料螺旋桨的流固耦合水弹性行为,为形成双向耦合的集成平台,对复合材料螺旋桨进行了流固耦合计算方法的研究。在ANSYS Workbench平台中,采用ACP模块对复合材料螺旋桨的建模进行了分析,介绍了复合材料螺旋桨的建模流程、流体计算模型和固体计算模型。通过静态加载试验对复合材料螺旋桨建模方法的可靠性进行了验证,计算值与试验值的偏差在5.1%以内,且反映出材料的各向异性。通过空泡水洞模型试验对复合材料螺旋桨流固耦合敞水性能计算方法的精确度进行了验证,在转速为12.7r/s和25r/s两个工况下计算的推力和扭矩与试验值吻合较好。验证了基于ANSYS ACP的复合材料螺旋桨稳态流固耦合计算方法合理可行,为复合材料螺旋桨的流固耦合振动特性分析提供了参考。     

A modal analysis for the dynamic response of fluid-structure systems

In this paper a theory of modal analysis for the dynamic response of fluid-structure systems is presented. A pair of generalized eigenvalue equations with three real symmetric matrices and their relationships are derived from the finite element equations in the form of structural displacements and fluid velocity potential. Generalized orthogonality relations of modal vectors are then developed. The response of the system to external excitation is derived in closed form by modal expansion. Two examples of the solution are given for illustration.     

圆筒内旋转细长管与流体界面耦合的数值方法

圆筒内旋转细长管是石油钻采工程中特有结构,细长管不仅与圆筒发生碰撞接触,还与管内流体和管外环空流体耦合,是一个复杂的非线性流固耦合系统。细长管固体域离散成梁单元,采用非线性碰撞接触动力学方程描述;管内外流体离散成六面体单元,采用计算流体动力学方程描述,在耦合界面处用任意拉格朗日欧拉法动网格来处理运动界面。根据梁单元位移...     

浮式海上风力机叶片气动性能的流固耦合分析

随着深水浮式海上风电场在世界范围内的兴起,浮式平台运动性能对风力机稳定运行及叶片气动载荷影响的研究具有重要意义。基于三维粘性不可压缩Navier-Stokes方程和适用于旋转流场分析的重整化群k-ε（RNG）湍流模型,数值模拟美国可再生能源实验室（NREL）5MW海上风力机的气动性能,并将数值模拟结果与NREL的设计参考数据进行对比分析,较好地验证了该数值模拟方法的有效性。进一步利用滑移网格技术模拟风力机叶片随浮式平台的典型周期性运动,实现浮式风力机叶片与周围流场的复杂非线性流固耦合分析,分别研究浮式平台不同运动幅值和运动周期对风力机叶片气动性能的影响规律,并从物理机理角度进行阐明分析。本文的主要研究成果,将对未来大型深水浮式海上风力机的气动性能分析及浮式平台系统的运动性能设计起到积极的指导作用。     

基于扰动波的HVAS液滴耦合振动特性分析

高速电弧喷涂过程中熔融金属液滴的振动特性对喷涂涂层性能具有决定性作用,但限于实验技术很难检测液滴的动力学行为,因而利用扰动波理论建立了气流和液滴的耦合振动方程组,并数值求解获得了喷涂气流最不稳定波数,与Bradley的数据曲线进行了比较,二者呈现出较好的吻合性,误差在士2％之间,验证了所建立的HVAS小扰动液滴模型是有效的;根据HVAS液滴耦合振动模型分析了不同喷涂气流及其速度对不同熔融金属的相应HVAS液滴振动特性。结果表明,HVAS过程中用N2具有一定的优势,且增加气流速度有利于提高喷涂涂层的结合强度,从而为HVAS过程中的材料选择与工艺控制提供了基本的理论依据。