圓柱類(lèi)結(jié)構(gòu)物的渦激振動(dòng)是工程中較為常見(jiàn)的一種現(xiàn)象,如果圓柱結(jié)構(gòu)物之間的距離較小,就會(huì)產(chǎn)生渦激誘導(dǎo)碰撞現(xiàn)象,而渦激碰撞會(huì)比渦激振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)物疲勞破壞產(chǎn)生更嚴(yán)重的威脅.采用浸入邊界法模擬流體中的動(dòng)邊界問(wèn)題,避免了傳統(tǒng)貼體網(wǎng)格方法在求解流體中存在固體間碰撞問(wèn)題時(shí)出現(xiàn)數(shù)值求解不穩(wěn)定問(wèn)題,采用有限元方法對(duì)圓柱的運(yùn)動(dòng)和碰撞進(jìn)行求解,通過(guò)數(shù)據(jù)回歸方法建立了流體流動(dòng)條件下的潤(rùn)滑模型,對(duì)不同間隙比下渦激誘導(dǎo)并列雙圓柱振動(dòng)及碰撞過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,數(shù)值結(jié)果表明,如果兩圓柱產(chǎn)生了碰撞將會(huì)有連續(xù)的碰撞發(fā)生,碰撞時(shí)出現(xiàn)了多階頻率,振動(dòng)主頻率要比無(wú)碰撞時(shí)大,兩圓柱碰撞時(shí)的相對(duì)速度比自由來(lái)流速度小;當(dāng)兩圓柱相互接近時(shí),隨著渦環(huán)分離角度的逐漸傾斜,橫向流體力先逐漸減小,當(dāng)兩圓柱間渦環(huán)開(kāi)始相互影響發(fā)生擠壓時(shí),橫向流體力開(kāi)始逐漸增大;當(dāng)兩圓柱開(kāi)始反彈時(shí),兩圓柱間形成了低壓區(qū),改變了橫向流體阻力的方向,使兩圓柱又產(chǎn)生了接近運(yùn)動(dòng),如此反復(fù)從而產(chǎn)生了碰撞后橫向流體力和圓柱速度的振蕩現(xiàn)象. 

【文章來(lái)源】：力學(xué)學(xué)報(bào). 2019,51(06)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：12 頁(yè)

【部分圖文】：

清晰界面浸入邊界法示意圖

在黏性流體中當(dāng)一個(gè)物體以有限的相對(duì)速度接近另一個(gè)物體或壁面時(shí),物體將會(huì)受到潤(rùn)滑力的影響[26],當(dāng)兩物體間隙不大于δ?x時(shí),由于存在多個(gè)浸入邊界,使得浸入邊界間缺乏流體網(wǎng)格分辨率,傳遞邊界參數(shù)的插值方程無(wú)法建立,不能夠準(zhǔn)確計(jì)算此時(shí)的潤(rùn)滑力,如圖2所示.而在黏性流體中固體與固體碰撞的模擬中,考慮潤(rùn)滑力的影響對(duì)計(jì)算真實(shí)的碰撞速度和反彈速度具有重要意義[27].對(duì)于物體與固定壁面碰撞問(wèn)題,由于可以提前預(yù)測(cè)碰撞位置為固定壁面處,可以借助于過(guò)度的網(wǎng)格細(xì)化來(lái)彌補(bǔ)此問(wèn)題[23],而對(duì)于兩物體或多個(gè)物體在黏性流體中碰撞位置不確定的情況,如采用過(guò)度的網(wǎng)格細(xì)化將會(huì)給計(jì)算量帶來(lái)巨大的額外增加,文獻(xiàn)[27–29]采用的一種方法是保持網(wǎng)格固定,并使用基于Stokes流動(dòng)中潤(rùn)滑力解析解的漸近展開(kāi)的潤(rùn)滑模型來(lái)補(bǔ)償這種缺乏空間網(wǎng)格分辨率情況,對(duì)靜止流體中的顆粒碰撞問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬,但在實(shí)際問(wèn)題中流體通常是流動(dòng)的,所以需建立一種新的適用于有流體流動(dòng)條件下的潤(rùn)滑模型.潤(rùn)滑理論表明,由于固體間碰撞時(shí)間隙δ趨于零,潤(rùn)滑力將趨于無(wú)窮大,致使理想的光滑物體不會(huì)達(dá)到實(shí)際的固固接觸,但實(shí)際中在潤(rùn)滑效應(yīng)變得非常重要之前,兩物體可通過(guò)壁面的粗糙度δ?而產(chǎn)生接觸碰撞.在兩物體接觸過(guò)程中潤(rùn)滑力的最重要分量是沿兩固體中心連線的擠壓力,因?yàn)樗闹鲗?dǎo)項(xiàng)是1/δ,而平移剪切力和旋轉(zhuǎn)剪切力的主導(dǎo)項(xiàng)是發(fā)散較慢的lnδ[30],因此本文僅對(duì)潤(rùn)滑力的法向擠壓力進(jìn)行修正.潤(rùn)滑模型示意圖如圖3所示,參照Stokes流動(dòng)中潤(rùn)滑模型的表達(dá)式[31],本文建立了兩圓柱相互接近時(shí)法向潤(rùn)滑力系數(shù)CLn的表達(dá)式為

式中,Vi j,n為兩圓柱相互接近時(shí)法向的相對(duì)速度;Li為圓柱體的長(zhǎng)度;繞流雷諾數(shù)為ReVi=ρDiVi/μ,其中Vi為圓柱相對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)速度;δ?一般由固體表面的絕對(duì)粗糙度和碰撞臨界狀態(tài)來(lái)確定,δ?越小越不容易產(chǎn)生碰撞,為了能夠產(chǎn)生碰撞取δ?=0.001D,并在δ?以下取CLn的值為δ=δ?時(shí)的值.δ?x的值可以通過(guò)模擬兩圓柱相互接近來(lái)確定為減小計(jì)算量,本文采用圓柱附近?x=?y=0.02D網(wǎng)格大小模擬兩圓柱的相互接近過(guò)程,并進(jìn)一步在兩圓柱中間采用平滑過(guò)渡方法進(jìn)行局部網(wǎng)格加密,第一層網(wǎng)格高度為h,增長(zhǎng)率為1.1,圖4為h=0.001D時(shí)的計(jì)算網(wǎng)格,圖5為兩圓柱在無(wú)背景流速時(shí)以相同恒定速度0.5 m/s相互接近接觸,不同h工況下圓柱的法向潤(rùn)滑力系數(shù)CLn隨間隙δ的變化,由圖中可以看出在δ>0.04D時(shí),即兩圓柱間有兩個(gè)以上的完整流體單元,不同h工況下CLn基本一致;當(dāng)δ0.04D時(shí)不同h下CLn差別較明顯,表明在?x=?y=0.02D網(wǎng)格大小下δ?x為0.04D,并且隨著h的減小,CLn在接觸時(shí)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),也與潤(rùn)滑理論相吻合.

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于浸入邊界-有限元法的流固耦合碰撞數(shù)值模擬方法[J]. 楊明,劉巨保,岳欠杯,丁宇奇,姚利明.  應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué). 2019(08)
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碩士論文
[1]圓柱耐壓結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)研究[D]. 朱帥帥.江蘇科技大學(xué) 2019
[2]船舶碰撞過(guò)程中的附加質(zhì)量研究[D]. 張婭.武漢理工大學(xué) 2016
[3]低雷諾數(shù)下并列圓柱渦激振動(dòng)的數(shù)值模擬及其機(jī)理研究[D]. 劉爽.天津大學(xué) 2014
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本文編號(hào)：3014929