【摘要】：針對結(jié)構(gòu)渦激振動數(shù)值模擬問題,以開源流體動力學(xué)計算軟件OpenFOAM 3.0為平臺建立結(jié)構(gòu)渦激振動數(shù)值模擬方法,即將結(jié)構(gòu)渦激振動問題簡化為單自由度振子模型,采用Newmark-β法進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動方程求解,應(yīng)用OpenFOAM動網(wǎng)格求解器進(jìn)行動網(wǎng)格計算與更新。以寬高比為5的矩形斷面為例,首先采用3種不同的雷諾平均(RANS)湍流模型(即SST k-ω,k-ε和k-ω模型)進(jìn)行風(fēng)攻角為a=0°,2°,4°,6°時靜止繞流計算,以檢驗不同湍流模型的計算精度;然后對矩形斷面在0°風(fēng)攻角下豎向渦振響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與已有文獻(xiàn)和試驗結(jié)果進(jìn)行比較。研究表明:3種湍流模型的計算結(jié)果總體較為接近,且與試驗結(jié)果較為吻合,其中SST k-ω湍流模型的計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合相對最好;對于升力系數(shù)和升力矩系數(shù),3種湍流模型的計算結(jié)果都與試驗結(jié)果存在一定的差異;總體而言采用OpenFOAM的SST k-ω湍流模型所得靜止矩形斷面繞流計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。矩形斷面渦激振動響應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相比鎖定風(fēng)速區(qū)間有一定前移,且最大渦振振幅較試驗結(jié)果略偏大。
【圖文】：

第10期王林凱，等:基于OpenFOAM的矩形斷面渦激振動數(shù)值模擬1.2流固耦合計算方法將矩形斷面豎向渦激振動簡化為彈性支承單自由度振子模型，如圖1所示。對應(yīng)的結(jié)構(gòu)振動控制方程為:y··(t)+2ξhωhy·(t)+ω2hy(t)=FL(t)/m，(3)式中，y(t)，y·(t)，y··(t)分別為t時刻時結(jié)構(gòu)豎向振動位移、速度和加速度;ξh為彈性支承結(jié)構(gòu)豎向振動系統(tǒng)阻尼比;ωh為彈性支承結(jié)構(gòu)豎向振動系統(tǒng)圓頻率;m為單位長度結(jié)構(gòu)質(zhì)量;FL(t)為時刻t對應(yīng)的單位長度結(jié)構(gòu)所受到的升力。圖1結(jié)構(gòu)渦激振動模型Fig.1Vortex-inducedvibrationmodelofstructure采用OpenFOAM中的動網(wǎng)格求解更新器sixDoFRigidMotion進(jìn)行動網(wǎng)格計算與更新，，選擇Newmark-β法進(jìn)行結(jié)構(gòu)渦激振動方程求解，獲得結(jié)構(gòu)振動位移、速度等，然后通過拉普拉斯擴(kuò)散法來改變網(wǎng)格中的點坐標(biāo)場從而實現(xiàn)網(wǎng)格更新，即:鄀·(γ(r)·鄀d)=0，(4)式中，d為單元中心點的位移場;r為網(wǎng)格中心與運動邊界的距離;γ(r)為關(guān)于r的函數(shù)，一般采取線性插值的方式取值。2靜止繞流數(shù)值模擬2.1計算域及網(wǎng)格取矩形斷面寬為B=600mm，高為H=120mm。選取計算域為30B×20B的矩形計算域進(jìn)行計算，如圖2計算域所示。計算域邊界條件為:左側(cè)、下側(cè)圖2計算域及邊界條件Fig.2Computationaldomainandboundaryconditions為入口條件(Inlet)，右側(cè)和上側(cè)為出口條件(Outlet)，矩形斷面為無滑移壁面條件(Wall)。采用分塊思路進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所有網(wǎng)格均設(shè)為四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格增長比率控制在1.1以內(nèi)，首層網(wǎng)格厚度參考文獻(xiàn)［8］擬為0.001B。整體與局部網(wǎng)格如圖3所示。圖3矩形斷面網(wǎng)格Fig.3Meshofrectangularsection利用OpenFOAM中網(wǎng)格質(zhì)量檢驗工具checkMesh進(jìn)行檢測，該網(wǎng)格的網(wǎng)格數(shù)?

ucedvibrationmodelofstructure采用OpenFOAM中的動網(wǎng)格求解更新器sixDoFRigidMotion進(jìn)行動網(wǎng)格計算與更新，選擇Newmark-β法進(jìn)行結(jié)構(gòu)渦激振動方程求解，獲得結(jié)構(gòu)振動位移、速度等，然后通過拉普拉斯擴(kuò)散法來改變網(wǎng)格中的點坐標(biāo)場從而實現(xiàn)網(wǎng)格更新，即:鄀·(γ(r)·鄀d)=0，(4)式中，d為單元中心點的位移場;r為網(wǎng)格中心與運動邊界的距離;γ(r)為關(guān)于r的函數(shù)，一般采取線性插值的方式取值。2靜止繞流數(shù)值模擬2.1計算域及網(wǎng)格取矩形斷面寬為B=600mm，高為H=120mm。選取計算域為30B×20B的矩形計算域進(jìn)行計算，如圖2計算域所示。計算域邊界條件為:左側(cè)、下側(cè)圖2計算域及邊界條件Fig.2Computationaldomainandboundaryconditions為入口條件(Inlet)，右側(cè)和上側(cè)為出口條件(Outlet)，矩形斷面為無滑移壁面條件(Wall)。采用分塊思路進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所有網(wǎng)格均設(shè)為四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格增長比率控制在1.1以內(nèi)，首層網(wǎng)格厚度參考文獻(xiàn)［8］擬為0.001B。整體與局部網(wǎng)格如圖3所示。圖3矩形斷面網(wǎng)格Fig.3Meshofrectangularsection利用OpenFOAM中網(wǎng)格質(zhì)量檢驗工具checkMesh進(jìn)行檢測，該網(wǎng)格的網(wǎng)格數(shù)量為33611，網(wǎng)格最大畸變角為34.57°，網(wǎng)格最大畸變率為0.61。網(wǎng)格畸變率和近壁面漸變率符合Bakker的建議值，即四邊形網(wǎng)格最大畸變不得超過0.85，近壁面漸變率不得超過1.2［21］。2.2邊界條件與離散格式設(shè)置入口邊界(Inlet)為速度入口，風(fēng)速絕對值取5.4m/s，其分量值根據(jù)不同的角度進(jìn)行換算。湍流強度取為0.5%，湍流黏性比取10%，雷諾數(shù)為4.4×104(以斷面高度為參考尺寸)。OpenFOAM中入口處湍流特性值按Saxena的建議［22］計算:k=32(I·U)2，(5)ω=0.09kβν，(6)ε=0.09k2βν，(7)59
【作者單位】： 湖南大學(xué)風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點實驗室;
【基金】：國家自然科學(xué)基金項目(51178181,51478180)
【分類號】：U441.3

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本文編號：2523240