基于浸入边界法的涡激振动流固耦合数值模拟方法

针对涡激振动的精确数值模拟,基于浸入边界法建立了一种处理涡激振动问题的流固耦合分区迭代数值求解模型,采用浸入边界方法处理振动结构的移动边界,并在Navier-Stokes方程中添加附加体力项以体现流固之间的相互作用.为实现流体与固体之间的强耦合作用,采用分区算法,在同一时间步内进行多次迭代求解直至收敛.为验证该方法,选...     

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。     

基于谱元法的梢隙涡流场高保真隐式大涡模拟

该文采用谱元法结合基于谱消去黏性的隐式大涡模拟对水翼梢隙涡流场进行了数值计算,研究了在两种无量纲间隙宽度τ=0.3和τ=1时,梢隙内部及尾缘下游的梢隙涡演化过程.研究发现,τ=0.3时,梢隙内部流动形态为横向射流,水翼压力面梢部的流体在分离后以附着涡形式附着在水翼梢部端面处.吸力面的梢隙涡在形成后独立向下游发展,其结构...     

基于直线积分边界元法的温度应力研究

边界元法作为一种半解析解的数值计算方法,除了在同自由度下能够获得相对更高的精度以外,更为突出的优点是降维,只需要对研究域的边界进行离散.但是在进行温度应力问题求解时,积分方程中会出现域积分.为了保证边界元法降维的优点,基于散度定理提出将直线积分法的域积分转化为边界积分.边界积分可以用带积分点的边界单元来计算.每个积分点...     

一种适用于模拟水力机械内部流动的水平集-浸入边界法研究

该文提出了一种适用于数值模拟复杂水力机械内部三维不可压缩流动的水平集-浸入边界法。采用有限差分法和投影法对流体域控制方程进行离散求解,时间推进采用二阶龙格-库塔格式。在浸入边界点上压力和速度进行强制重构,以满足相应的速度和压力边界条件,进而实现了考虑固体结构边界的三维流场数值模拟。基于非结构三角形网格离散固体区域的复杂边界,通过搜索圆计算流固交界面附近一定距离内网格点至交界面的距离和采用射线法区分流体域和固体域,实现了一种利用水平集函数准确且快速捕捉复杂流固交界面的方法。通过一系列标准测试算例验证了算法的精度与鲁棒性,并应用于轴流泵泵段的三维模拟。结果表明,该文基于水平集的浸入边界法可以有效模拟固体运动下的三维流场,并适用于水力机械三维复杂流动。     

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。     

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。     

基于流固耦合的混流式水轮机水力激振与疲劳寿命损伤研究

为研究水轮机投入生产后常常产生的裂纹以及疲劳失效问题,构建混流式水轮机HLA551 c-WJ-71几何模型并模拟流固耦合(FSI)中复杂的流体流动,对混流式水轮机额定工况运行过程中动态应力以及叶片形变进行分析,揭示流道内的动态应力与叶片疲劳失效之间的内在关系。结果表明：混流式水轮机额定工况运行时,叶片的最大Von Mises应力为60.2 MPa,远小于材料的极限应力,因此静应力不会导致叶片产生短期裂纹破坏;水轮机额定工况运行时叶片表面和尾水管的动应力最大为10⁷kPa,同样远小于材料的极限应力;叶片上冠处为叶片最高应力区域,且在叶片表面压力变动时,压力的变化幅值也较大,因此认定叶片上冠为叶片的疲劳危险区。研究结果有助于水轮机转轮的优化设计,提高对水轮机瞬态运行及疲劳失效的理解。     

基于流固耦合的水轮机振动的数值研究

该文研究应用ADINA软件采用任意拉格朗日欧拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)法对一混流式水轮机转轮进行了流固耦合计算,得出了转轮在空气中和水中的频率和模态.通过计算表明在水压载荷和黏性载荷的作用下,水轮机的转轮频率存在一定程度的下降,模态发生了变化.并应用动态断裂力学预测了该转轮可能发生的裂纹破坏.     

上卓沟泥石流流动特性及流体—结构流固耦合数值模拟研究

甘肃省卓尼县上卓沟曾多次发生较大规模泥石流,灾害损失极其严重。为了有效治理,急需对泥石流的流动特性及拦挡结构在泥石流冲击荷载下的结构响应进行深入研究。本文首先利用图形建模软件RHINO建立上卓沟三维沟谷模型,泥石流流变模型选用宾汉流体模型,在合理确定各计算参数及边界条件的基础上应用CFX对上卓沟泥石流进行了三维数值模拟,得到流速等流场数据。将所得流场数据导入ANSYS进行泥石流与拦挡结构的双向流固耦合分析,得到了泥石流在沟谷内的运动规律及拦砂坝的应力和位移,为工程设计提出了建议,可为类似工程提供参考。     

裂隙岩体的流固耦合研究现状与应用展望

裂隙岩体渗流研究主要是考虑流体在岩石裂隙中运动规律,尤其是流体渗流和岩体应力之间的相互耦合作用机理。随着工程应用发展的需要,裂隙岩体的流固耦合研究已成为国内外研究的热点问题。通过对国内外相关文献的分析和整理,从裂隙岩体流固耦合的试验研究、理论模型和数值模拟方法等三个方面的进行了论述,并对其工程应用前景进行了展望。     

基于流固耦合试验的k-n表达式探讨

k-n关系是岩土工程流固耦合分析计算中的一个关键表达式,常规的室内渗透试验由于没有考虑到渗流过程中的流固耦合效应,因而得到的k-n关系与实际情况有偏差。为得到更精确的k-n关系,采用自主研发的SRS-1型渗流和蠕变耦合试验仪开展了各种不同固结压力下的三轴流固耦合试验,获得了渗流过程中土样孔隙率随时间的变化曲线,拟合得到了考虑流固耦合与不考虑流固耦合的k-n表达式,并对考虑流固耦合、不考虑流固耦合及Kozeny-Caman经验公式给出的3种k-n表达式进行了对比分析。将3种表达式分别用于考虑流固耦合效应的一维饱和地基固结的数值模拟,将计算结果与非流固耦合方法计算结果进行比较。结果表明:渗流过程中土的孔隙率是动态变化的,为得到更精确的k-n关系,应考虑渗流过程中的流固耦合效应;工程中的土体固结问题实际是一个流固耦合问题,不能按非流固耦合方法计算,否则产生的误差非常大;当前流固耦合数值模拟中被广泛使用的Kozeny-Caman经验公式不能很好地反映黏土k-n的关系,在数值计算中造成的误差非常大,因此不建议使用;为了提高数值模拟结果的准确性,建议采用考虑流固耦合效应的k-n表达式。     

考虑流固耦合效应的漂浮物撞击平面钢闸门的研究

针对平面钢闸门结构受力复杂,运行中受到水压力容易引起剧烈的振动并常伴有漂浮物撞击,这些因素容易导致闸门结构失稳而发生破坏。以某水库泄洪闸为例,考虑流固耦合效应影响,借助有限元软件ABAQUS建立水流场-闸门-漂浮物模型,研究了水流与闸门间流激振动和漂浮物撞击对平面钢闸门开启时变形和动态响应的影响,得到平面钢闸门在正常泄流和伴有漂浮物撞击下闸门泄流两种不同工况下流场流速、动水压力、闸门面板的应力、位移变化情况。结果表明:漂浮撞击下的闸门面板的应力应变均存在不同程度增加,在闸门与水流的流固耦合面中部,存在大面积应力集中现象,其数值接近应力峰值,使得闸门安全运行存在较大的隐患。     

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。     

考虑流固耦合的降雨入渗过程对非饱和土边坡的影响研究

流固耦合是指固体在渗流场作用下的变形行为以及固体变形对渗流场影响这二者相互作用的 理论,在探讨了渗流场与应力场相互作用机理后,提出了考虑渗流与应力直接耦合作用的非饱和土质边 坡雨水入渗过程影响的有限元计算模型分析方法。基于ＡＢＡＱＵＳ分析软件,考虑了流固耦合和土水特 征曲线,结合一典型非饱和土质边坡算例,对土坡受降雨入渗的影响进行了有限元数值模拟研究,得出 了非饱和土质边坡基质吸力、饱和度、变形和稳定性受降雨影响的变化特征规律,指出了在工程设计中 考虑耦合作用和雨水入渗影响的合理性和必要性,为进一步研究和相关工程设计防护提供参考。     

基于流固耦合的立轴旋转钢闸门的应力应变分析

立轴旋转钢闸门广泛应用于中小型水利工程中,为明确立轴旋转钢闸门的工作受力特征,采用流固耦合方法对立轴旋转钢闸门不同工况时应力应变进行计算分析,获得不同工况下立轴旋转钢闸门的应力应变变化规律.结果表明:在立轴旋转钢闸门全闭时,相对集中应力区发生在下支撑处和联轴器端面,最大应力为20.06 MPa,为材料允许应力的8.7％...     

基于流固耦合的风力机叶片刚强度分析

基于ANSYS Workbench平台,对某小型风力提水机进行单向流固耦合分析,将流场计算得到的叶片表面的风荷载加载到叶片上,再进行静应力有限元分析。对不同工况下的风轮进行分析对比,得到风轮应力和变形规律。结果表明,在额定风速8 m/s工况下,最大等效应力集中在叶根部位;风机叶片静应力随风速增大而增大,且最大应力小于许用应力,然而长期应力集中的状况容易导致疲劳破坏;风机整体最大变形出现在叶尖处,而轮毂与叶片连接处基本上没有发生变形,呈梯度分布。     

基于三维有限元流固耦合算法研究浮标在波浪作用下的动力响应

浮标在波浪作用下产生动荷载,具有明显的动力学特征.浮标与波浪相互作用包括浮鼓与海浪的耦合、浮鼓与锚链的耦合,是复杂的多学科的流固耦合问题.基于三维有限元流固耦合算法,建立“浮标-海水-空气-海底”系统模型,仿真了浮标和单列Airy波相互作用,研究了浮标在特定海况下的动力响应,定量的给出了浮标的运动规律、自摆周期、锚链拉力、浮筒摆角及设备安装点加速度等重要结论,为浮标设计、制造、运行、维护提供重要参考和依据,也为海上风力发电、海上作业平台和跨海大桥桥墩等波浪作用的动力分析提供了重要参考和借鉴.     

基于渗流与应力耦合的防渗墙与坝体相互作用的数值模拟

封闭式坝体防渗墙在土石坝除险加固工程中得到广泛应用.然而,目前针对土石坝加固工程中增建的封闭式坝体防渗墙的研究相对较少,特别是关于墙-坝体相互作用的研究中很少考虑渗流与应力的耦合作用.为探讨土石坝加固工程中墙-坝体相互作用的数值模拟方法及作用机理,在分析实际工程条件的基础上,利用ABAQUS有限元软件建立渗流与应力耦合数值模型,实现了同时考虑墙-土接触、渗流-应力耦合共同作用的模拟.分析结果表明,所采用的耦合数值模型能较好模拟防渗墙与坝体的相互作用;土石坝加固工程中的封闭式坝体防渗墙墙体的应力主要由水平荷载引起,简单忽略渗流与应力的耦合作用会导致墙体应力的计算结果偏于不安全.     

基于流固耦合的平板闸门动水关闭过程数值模拟

闸门动水关闭是一个复杂的物理过程,在此过程中的水动力特性及闸门本身结构特性易受到多种因素的综合影响.针对平板闸门动态关闭过程,采用动网格技术、RNG k-ε紊流模型及VOF自由水面处理技术三者相结合的方法建立了三维非定常水气两相流模型,在此基础上,进一步结合流固耦合方法针对不同因素综合影响下闸门的形变、等效应力的变化规...