海洋隔水管涡激振动的三维数值模拟研究

流体场采用k-ω湍流模型进行三维CFD数值模拟,固体场采用基于三维实体单元的有限元方法进行模拟,通过一种新的方法实现流-固耦合交界面的无缝数据交换,参考Lehn(2003)长径比为482的模型实验完成隔水管流向与横向涡激振动的三维数值模拟。模拟结果与实验结果吻合良好,都反映了多阶振动模态特性。引入激发速度解释了多阶振动模态的现象。进一步分析表明,大长径比柔性隔水管发生涡激振动时流场尾流区涡的脱落呈现多种涡结构模式,尾涡动力特性在不同截面的变化体现出明显的三维特征。同时隔水管振动时出现非对称弯曲大变形现象,运动轨迹呈现变形的8字形。研究同时表明,顺流向的振动响应不可忽略。     

基于非结构化网格和浸入边界的流固耦合数值模拟

对浸入边界方法进行改进,使其适用于非结构网格。利用非结构化网格技术生成贴体网格,充分利用贴体网格与浸入边界的优势,提高复杂区域内流固耦合问题计算效率。流体Navier-Stokes方程空间项采用非结构化网格有限体积法离散,时间项采用欧拉隐式方法。利用浸入边界方法模拟运动固体区域,流固界面作用力通过VOS(Volume Of Solid)方法进行处理。通过振荡圆柱绕流计算结果与文献实验数据对比,验证了本文方法的合理性和正确性,利用本文方法对管路中阀门动态过程进行了数值研究。     

基于浸入边界-谱元法的流体柔性体耦合运动研究

为了模拟大变形柔性体与黏性流体耦合运动的动力学行为,该文发展了一套基于浸入边界-谱元法的数值模拟方法。该数值方法中,流体运动在欧拉坐标下采用谱元法模拟,柔性体运动在拉格朗日坐标系采用有限差分法求解,两者的耦合通过浸入边界法实现。首先对低雷诺数方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动问题进行数值模拟,并将计算结果与其它文献计算结果进行比较,验证了该耦合计算方法的可靠性。然后研究了高雷诺数下方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动情况,得到柔性结构的耦合振动特性和流场动态分布特征。该文的数值方法放宽了由大拉伸系数引起的稳定性限制,能更灵活地被运用于复杂柔性边界条件的情况,为后续对各种柔性体流体耦合的研究提供了基础。     

基于LES的水工钢闸门流激振动数值模拟研究

针对钢闸门流激振动机制的复杂性以及钢闸门流激振动在工程实际中的多发性,以二维平板钢闸门为例,基于ADINA有限元分析软件,建立了不同开度的流场有限元模型和固体有限元模型,探究了不同开度时水工钢闸门动力响应规律,阐明了单、双向流固耦合作用下钢闸门动力响应差异,揭示了水工钢闸门流激振动机制。结果表明：1)随着开度的增大,流场不同位置处脉动压力逐渐减小,钢闸门附近旋涡脱落的频率逐渐降低;2)对于水工钢闸门而言,可以采用单向流固耦合代替双向流固耦合进行计算;3)水工钢闸门流激振动产生的机制主要是钢闸门周围旋涡脱落频率与钢闸门结构第一阶自振频率一致或相近,导致钢闸门发生了共振。     

利用分离盘控制隔水管涡激振动的数值模拟

涡激振动是导致深海隔水管疲劳失效的重要因素.为有效控制隔水管涡激振动,提出了利用分离盘控制涡激振动的方法.对加装0.25～2.0倍隔水管直径的分离盘后的隔水管流动进行了二维数值模拟.研究了亚临界状态下各种模型旋涡脱落的流场结构、脱落模态、隔水管升阻力系数和旋涡泄放频率的变化特征.结果表明:分离盘加装前与经典的实验和计算结果吻合很好;不同尺寸的分离盘对隔水管涡激振动控制效果具有明显差异;当分离盘的长度为1.0至1.5倍的隔水管直径时,平均阻力系数可以减小20%,尾迹涡街的频率也有了较大的减小,达到控制涡激振动的最优效果.     

高耸、薄壁水工建筑物流激振动数值模拟分析方法初探

目前水工建筑物流激振动的研究方法主要有原型观测、模型试验及数值分析法,笔者应用流固耦合理论采用三维有限元法对流激振动进行了数值模拟研究,分析成果与原型观测成果相统一,验证了研究方法的可行性,可为后续类似工程分析提供参考。     

基于Fluent的南水北调闸门流固耦合数值模拟研究

水工钢闸门在南水北调中线工程中应用较为普遍,对工程的安全及有效输水起着较重要的作用。利用现场闸门检测结果,验证了所建数值模型的合理性,采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法,利用RNG k-ε湍流模型,基于流固耦合理论,结合ANSYS Workbench平台内的Fluent分析模块及Static Structural分析模块,对闸门在不同开度下进行数值模拟分析,得出流场的水流压强和闸门的Mises应力及位移,探寻在不同开度时流场压强及闸门受力规律。结果表明：随着闸门开度的不断减小,闸门底缘附近的压强不断增大,同时闸门面板及主横梁的Mises应力及位移均是不断增大的,尤其当闸门开度小于0.40后,闸门附近处压强有明显增大趋势,面板和横梁的应力及位移有明显增大现象。     

不同开度时弧形闸门流固耦合数值模拟

为研究弧形闸门局部开启时受力情况,采用单向流固耦合的方法,结合Realizable k-ε湍流模型和VOF方法,利用ANSYS、Fluent软件建立了水流流场和闸门三维模型,对不同开度下闸门受力情况进行数值模拟,获得了过闸流量和闸门变形、应力变化的规律,通过与理论计算过闸流量对比,验证了数值模拟结果的准确性。结果表明:随着闸门开度的增大,闸门动水压力逐渐减小,最大应力区域发生了变化,应依据不同的工作环境进行闸门设计和加固。     

基于流固耦合的立式轴流泵站振动特性数值模拟研究

针对由水体引发的立式轴流泵站泵房振动问题,采用基于流固耦合的模态分析方法,对水体作用下的某立式轴流泵站泵房模态进行分析,进而分析泵房在水体作用下的应力和变形情况。研究表明,基于流固耦合的模态分析可以较确切的反应内部水体作用下的泵房模态;发现在水体的耦合作用下,水体对于泵房结构的影响主要集中在流道外壁混凝土结构处,对出水流道驼峰上部楼板以及下降段混凝土结构的变形影响较大,对于泵房整体结构影响较小。     

河床式水电站厂房结构流固耦合振动特性研究

鉴于厂房结构在地震作用下可能出现的严重后果,地震时动水压力对厂房结构的振动特性的影响就成为厂房结构设计的一个重要控制因素。结合某河床式水电站厂房实际工程,以有限元软件ANSYS为平台,建立三维有限元模型,分析地震动水压力对其振动特性的影响。分析结果表明:地震动水压力作用增加了坝面附加质量,从而降低了厂房的自振频率,并且对振型产生了一定的影响,尤其是进水口闸墩、尾水管闸墩等局部振型变化,因此对其作用下的厂房自振频率进行分析显得极为必要;随着上游水位的降低,厂房整体质量减小了,地震动水压力作用下的厂房自振频率随之增大,不同水位下厂房振型明显有所改变。     

复杂边界水流数学模型的斜对角笛卡尔方法

在水流数值模拟中，对不规则边界的处理一直是人们关心的问题。本文所介绍的斜对角笛卡尔方法是在直角坐标系下发展的一套处理复杂边界的新方法，它具有拟合精度高、处理简单、计算高效等特点，较之传统采用的锯齿法及贴体坐标法有其独特的优点。该方法被应用到福建泉州湾潮流实际计算之中，取得了满意的结果。     

振动边界耦合作用下基于微分求积法的三维不可压缩粘性流体的数值模拟

本文采用微分求积(DQ)法基于非交错网格建立在考虑流体-结构相互作用下求解三维不可压缩流体NavierStokes方程的数值方法。弹性振动边界为矩形薄板,诱发板振动的因素为作用在板上的脉动压力场,边界板的振动与流动形成耦合作用。数值结果给出了一箱形流道内雷诺数分别为100,1000和10000时的流场。大量分析表明．用本文方法模拟考虑流体一结构相互作用下的流动问题是可行的。     

水流结构相互作用的粒子法数值仿真

提出了光滑质点水动力学法,对具有自由面的水流(体)与建筑物相互作用问题进行了数值仿真。应用该法求解了拉格朗日形式的纳维埃—斯托克斯方程,并对方程中的梯度、散度与拉普拉斯等项进行了相应的处理。光滑质点水动力学法具有计算格式简单、易于跟踪自由面和计算大变形问题等优势。最后,给出了水流(体)与建筑物相互作用的两个计算实例,结果表明,计算结果与其他方法给出的数据符合良好。     

基于比例边界有限元法的结构-地基动力相互作用时域算法的改进

本文基于比例边界有限元法(Scaled Boundary Finite Element Method)的缩减基函数解法,对结构无限地基动力相互作用的时域算法进行了改进。通过选择适当的基函数数目,缩减结构-地基接触面上的自由度,以减小卷积积分所带来的计算工作量,推导了缩减自由度后运动方程的表达式。通过重力坝和拱坝加速度频响曲线的算例,对比了不同程度缩减的基函数和全部基函数对计算精度和效率的影响。结果表明,基函数的缩减可使计算效率明显提高,但精度损失不大。当采用60％的基函数时,计算效率提高5倍,而峰值频响曲线的精度损失却不超过4％。因此,该算法比较适合于大型结构地基动力相互作用问题的时域分析。     

圆柱非定常绕流及涡致振动的数值计算

用基于一般曲线坐标系和交错网格的差分法求解原始变量二维不可压粘性流体的N-S方程，计算了雷诺数从100到1×10     

Vibration analysis of hydropower house based on fluid-structure coupling numerical method

By using the shear stress transport(SST)model to predict the effect of random flow motion in a fluid zone,and using the Newmark method to solve the oscillation equations in a solid zone,a coupling model of the powerhouse and its tube water was developed.The effects of fluid-structure interaction are considered through the kinematic and dynamic conditions applied to the fluid-structure interfaces(FSI).Numerical simulation of turbulent flow through the whole flow passage of the powerhouse and concrete structure vibration analysis in the time domain were carried out with the model.Considering the effect of coupling the turbulence and the powerhouse structure,the time history response of both turbulent flows through the whole flow passage and powerhouse structure vibration were generated.Concrete structure vibration analysis shows that the displacement,velocity,and acceleration of the dynamo floor respond dramatically to pressure fluctuations in the flow passage.Furthermore,the spectrum analysis suggests that pressure fluctuation originating from the static and dynamic disturbances of hydraulic turbine blades in the flow passage is one of the most important vibration sources.     

三维动边界破开算子法不恒定流模拟研究

本文以静水压强假定下的大尺度三维水流方程为基础，对微分方程采用混合破开算子法求解，并引入了透水介质法处理动水边界、自由水面边界和床底边界，将动边界问题转化为定边界问题求解，对大尺度水体中的恒定与非恒定流动进行了成功的模拟计算。     

基于流固耦合方法的滑坡涌浪数值模拟

以GMO流固耦合模型和k-ε紊流模型为基础,采用VOF方法追踪自由液面,利用FLOW-3D软件平台建立三维数值模型,模拟刚性滑坡体沿斜坡运动所引起的涌浪产生及其传播过程,将数值计算结果与观测数据进行对比,验证数值模型研究此类问题的有效性,并分析流固耦合作用和滑坡体运动状态对涌浪生成和传播过程的影响。结果表明:模拟结果与观测数据吻合较好;忽略水体对滑坡体的作用会明显增加涌浪的首浪高度和传播速度,流固耦合作用主要影响滑坡体从接触水面到完全浸没的阶段(入水阶段)内涌浪的规模与传播特性;在滑坡体入水阶段采用流固耦合数学模型,而当滑坡体完全浸没于水下时采用指定滑坡体运动轨迹的计算模型,这样所得的结果亦能够准确反映涌浪的产生与传播特性。