基于流固耦合的箔片气体轴承动态特性分析

基于有限元软件ANSYS Workbench,建立箔片气体轴承在可压缩流体介质中运动的有限元模型,采用6DOF动网格计算方法对轴承的运动状态进行流固耦合数值模拟,探讨了不同转速和波箔片结构参数(波箔片的长度比、高度以及厚度)对轴承动态特性的影响规律。仿真结果表明:转速增加,轴承的承载能力增加,但稳定性有所下降,更容易发生失稳现象;选取波箔片的长度比在1~1.5之间、厚度为0.16 mm,既可以保证轴承具有较高的刚度,同时又能获得较大的阻尼;波箔片高度与轴承动态特性成反比关系。将仿真结果与试验结果进行对比,验证了仿真计算方法的正确性和有效性。同时本文的研究为优化波箔片结构,改善轴承动态特性,提高轴承运行稳定性提供理论依据。

高速跨介质入水多相流动与流固耦合特性研究综述

高速跨介质入水问题广泛存在于海洋工程、航空航天等领域,入水多相流动与流固耦合作用机理是该领域的研究热点,对于跨介质航行器的载荷预报、弹道稳定性评估、结构强度校核以及安全性设计等具有重要意义。本文围绕高速跨介质入水所涉及的基础关键力学问题,重点论述了高速跨介质多相流动与空泡演化、冲击载荷与降载方法、运动稳定性与流固耦合响应、流固耦合数值研究方法等方面的研究现状,并针对目前仍存在的问题提出了建议,旨在为高速跨介质入水的相关研究与设计等提供参考。

流固耦合作用下深部岩石动态力学响应研究进展

深部岩石处于高地应力、高渗透压和强动态扰动的复杂地质环境之中,3者作用下岩石体更加容易发生损伤破裂,诱发突涌水、渗漏、井喷等工程地质灾害,因而探究流固耦合作用下岩石的动态力学响应是开展岩石工程建设的前提之一。近年来,国内外众多学者在考虑水和不同应力状态下的岩石动态力学实验研究方面取得了显著的成果。为给工程建设提供更加全面的指导并为后续研究奠定基础,从实验装置、测试结果以及围压与水的作用机理层面,对上述工作进行了回顾与总结。首先介绍了分离式霍普金森压杆测试装置的基本原理,以及用于模拟深部岩石赋存环境所进行的装置改进,包括围压分离式霍普金森压杆实验系统和孔压(渗透压)耦合的分离式霍普金森压杆实验系统,简要分析了各类装置在研究流固耦合作用下岩石动力学问题时的优势和不足。其次,总结了考虑不同应力状态(单向加载、三向围压加载)的流固耦合作用下岩石的动态力学响应特性。详细介绍了固定预设孔压、渗透压耦合作用下深部岩石的动态力学响应及其随孔隙水压、渗透压变化的规律。随后,概述了围压对岩石动力学性质的影响机理,分析了不同围压条件下的影响规律;总结了水对岩石动态力学性质的强化、弱化微观机制和定量表达。最后,对流固耦合作用下深部岩石的动态力学响应进行了概括总结,并对未来实验研究工作和深部赋存条件下岩石动态力学的研究方向进行了展望。

流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩注浆加固特性试验研究

黄河北煤田因矿井水害影响,安全高效开采煤炭资源成为矿井发展的关键瓶颈。注浆技术是当前解决矿井水害问题的重要手段,不仅能解放大量受到水害威胁的煤炭资源,而且对保护地下水资源具有积极意义。对黄河北煤田邱集煤矿取得的灰岩试样开展室试验,观察了灰岩的细观特征,获取了流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩的力学特性及注浆加固特性,通过理论分析得到了灰岩随预制裂隙长度变化时,起裂强度的变化规律,分析了注浆加固机理。结果表明:注浆后岩石的强度、韧性得到明显改善,注浆前的灰岩有明显的脆性特征,注浆后灰岩的脆性降低延性增强;注浆加固体的破坏程度随着裂隙长度的增加越来越剧烈,当裂隙长度较大时伴随有水平方向的裂隙发育;注浆加固体的峰前渗透率的降低程度较小,峰后渗透率有明显的降低,灰岩渗透率最大阶段产生在峰后阶段、而渗透率最小的阶段发生在应力–应变曲线的线弹性阶段,并且裂隙长度越长越容易出现渗透率双峰现象。使用连续介质力学理论推导得到了注浆加固体起裂强度和断裂韧度的计算式,理论证明了注浆加固体的强度大于原岩试样;岩石弹性模量与注浆形成的结合体的弹性模量的差异越大,注浆对岩石强度的影响越弱。

弹塑性多孔介质流固耦合新理论:混合耦合理论

在全球气候变化和双碳政策的大背景下,多孔介质中固体的变形和流体的输运问题变得尤为重要。然而,在多孔介质中建立流固耦合模型仍面临的挑战之一是需要考虑跨越宏观尺度到纳米尺度的耦合作用。本文利用基于非平衡热力学的混合耦合理论,提出了一个弹塑性多孔介质流固耦合新模型,在同一个理论框架内研究了弹性变形、塑性变形和液体渗流之间跨尺度的耦合,考虑了耗散过程中的熵产,并利用Helmholtz自由能连接宏观尺度上的力学变形和纳米尺度上的液体输运之间的相互作用。在应力-应变关系中采用了弹塑性刚度系数以反映塑性的影响。同时,经典的达西定律扩展为可考虑固体的塑性变形。通过与文献中模型的比较,验证了该模型的有效性。最后,数值分析表明在多孔介质的流固耦合中塑性变形具有比较显著的影响。

考虑流固耦合作用的超深缝洞型碳酸盐岩储层连通性表征:以塔里木盆地富满油田满深区块为例

超深缝洞型碳酸盐岩储层埋藏深,压力高,储集空间复杂多样,流体流动渗流、自由流并存,储层连通性表征困难,而储层连通性的精确表征是寻找油气富集区、储量精确预测、井网优化和井位部署的关键所在。为此,以塔里木盆地富满油田超深缝洞型碳酸盐岩储层为研究对象,考虑流固耦合作用,建立缝洞型储层应力渗流自由流耦合数学模型,采用岩石渗透率演化试验和数值模拟相结合的方法,系统开展了超深缝洞型碳酸盐岩储层连通性研究。研究结果表明:随着围压、轴压的增加,岩石渗透率逐渐降低,岩石连通性减弱;低围压条件下,轴压对岩石渗透能力和连通性影响显著;随着裂缝开度和倾角的增加,储层连通性逐渐增强;裂缝连通溶洞能够显著改善储层连通性;随着溶洞体积的增加,流体流速与等效渗透率增大,显著改善储层连通性;而单纯增加溶洞数量,会减弱自由流(Stokes)效应,改善储层连通性效果不明显。研究成果可为深层碳酸盐岩储层精确评价,提高油气高效勘探开发效果提供技术支撑。

碳酸盐岩缝洞型油藏流固耦合下的油水两相流动特征

为提高缝洞型碳酸盐岩油藏采收率,探究其流固耦合下的油水两相流动特性,根据不同介质中的流体流动规律,建立了Stokes-Darcy两相流体流动模型;基于有效应力原理和广义胡克定律,建立了适用于缝洞型碳酸盐岩油藏的油水两相Stokes-Darcy流固耦合数学模型;分别针对有无流固耦合的缝洞型碳酸盐岩油藏,进行了宏观和细观的油水两相流体流动模拟。研究结果表明:油藏有无流固耦合作用,其油水两相流体流动特性在基质区差异较大,在溶洞内差异较小,注水速度对缝洞型碳酸盐岩油藏的油水流动影响较大。

基于流固耦合的轮胎花纹滑水性能研究

以205/55 R16型号轮胎为研究对象,基于Abaqus CEL流固耦合方法构建轮胎滑水有限元模型。将模拟得到的轮胎垂直刚度与实验数据进行对比,验证轮胎模型可靠性的前提下,优化欧拉域,更好地捕捉并分析轮胎滑水时水流印迹特征。结合NASA经验公式评估模拟得到的临界滑水速度,验证轮胎滑水模型可靠性,分析不同充气压力和水膜厚度对轮胎临界滑水速度的影响。通过引入V型横向花纹和增加F1 Nose结构优化轮胎花纹结构,验证花纹沟槽子模型优化合理性,对比优化前、后轮胎临界滑水速度和水流压力。结果表明:此优化方法能有效提高轮胎的滑水性能。

基于微观流固耦合的超深层致密砂岩气藏应力敏感性分析

超深层致密砂岩气藏具有强应力敏感性,目前常用的研究方法包括压力脉冲实验法和实时在线CT扫描法两种,压力脉冲实验法不能揭示产生应力敏感性的微观机理,而实时在线CT扫描法也无法模拟深部地层高压、高应力的条件。为解决应力敏感性实验研究的不足,基于离散单元法与管道网络模型建立了微观流固耦合算法,编制了模拟器,并对模拟器力学计算和流固耦合模块的正确性进行了验证,分析了应力大小、加载方向和孔隙压力对岩心渗透率的影响,最后从微观上揭示了超深层致密砂岩气藏的应力敏感性机理。研究结果表明:①应力通过增加与之垂直方向上喉道两侧的法向压力,减小喉道的水力半径,进而降低储层的渗透率;②较高的孔隙压力能够阻碍岩石颗粒在应力作用下的移动,从而减缓了孔隙和喉道的变形,使模型保持较高的渗透率;③致密砂岩气藏的渗透率受到应力和地层压力的共同控制,并且具有各向异性,在垂直于最小主应力方向上形成渗透率较大的优势通道;④异常高压阻碍了地应力的压实作用,有利于保护储层孔隙,使地层有较好的储集性能和较高的渗透率。结论认为,根据离散元法结合孔隙网络模型建立的流固耦合方法可为理解超深层致密砂岩应力敏感性提供理论参考,并为超深层致密砂岩气藏的科学高效开发提供指导。

喷水推进器进水流道格栅流固耦合特性研究

为了研究格栅部件对喷水推进船舶效率的影响,本文拟采用流固耦合的数值计算方法系统地对格栅表面受力及其强度特性进行计算,结合有限元方法和流固耦合理论,以STARCCM+和ABAQUS软件为工具,根据目前已知的格栅剖面设计方法,对目前格栅的剖面形式进行改进,形成新型对称剖面形式的格栅。基于上述计算流体力学与流固耦合计算方法对其进行周围流场、结构静力强度、结构动力强度进行计算与分析。结果表明:对称形式的格栅剖面对于降低格栅的变形与应力水平有一定的帮助,采用新型对称形式的剖面结构使格栅总体变形模式发生了变化,但是最大变形位置与最大应力出现在格栅的位置未发生明显变化,新型对称剖面形式格栅具有比较好的静强度与动强度特性,各栅条均匀承受流体载荷。

核电工程异形水箱流固耦合分布式参数模型与效用研究

在流固耦合动力分析领域,传统的Housner模型在工程设计中发挥重要作用。但其理论推导仅适用于规则水箱,采用集中质量总体模型描述液体晃动的整体效应,难以有效模拟异形水箱储液结构的局部精细响应,亟须建立适用于不规则水体晃荡的分布式附加质量模型。基于势流理论推导了一种模态综合法模型,实现了分布质量与储液器壁激振加速度的解耦。该模型能够有效剥离分布式的脉冲质量与对流质量;同时,实体网格的振型分析适用于任意形状水体的动力分析。通过算例的形式将该模型与精细声学-结构耦合(Acoustic-Structural coupling,CAS)模拟法进行了比较,验证了模型的精确性与可靠性。最后,基于本文的模型研究了核电异形的安全水箱在不同水位和减晃格栅分布下的动力响应规律,并检验了其在工程中的适用性。

非饱和瞬态渗流的DDA流固耦合模型研究

DDA由于处理块体大变形、大位移问题能力较强,因此被广泛应用在岩体数值模拟当中。但该方法在模拟渗流场,尤其是瞬态渗流场方面目前鲜有研究。根据立方定律建立DDA稳态渗流模型,将非饱和二维Richards方程离散化处理,推导DDA瞬态整体渗流矩阵。将水头矩阵以外荷载形式作用在块体上,建立瞬态非饱和渗流流固耦合DDA计算模型。通过对土柱入渗、砂槽入渗试验和危岩体工程案例进行数值模拟,验证了该模型的正确性,为DDA处理非饱和瞬态流固耦合问题提供新方法。

螺旋缝隙泄漏双向流固耦合方法

针对螺杆泵泄漏机理,利用数值模拟加数据拟合方法,提出了一种针对螺杆泵螺旋微小缝隙泄漏的双向流固耦合模拟方法.利用此方法,对比了单向流固耦合和双向流固耦合方法在螺杆泵泄漏计算结果的偏差,计算结果表明,间隙越小偏差越大,间隙为0.500 mm时两结果相差20.3%,说明螺杆泵这种刚柔配合螺旋缝隙泄漏必须利用双向流固耦合求解才能获得准确结果.随后利用双向流固耦合方法对三维螺杆泵模型进行有限元分析求解,研究了初始间隙、流体介质黏度、螺杆泵单级腔室压差、进出口压力对螺杆泵泄漏的影响.结果显示:泄漏量随初始间隙的增大而增大,随流体介质黏度的增大而减少;进出口压力变化对螺杆泵泄漏影响很小,可以忽略;腔室间的压差造成橡胶定子变形形成间隙,间隙随着压差增大呈线性增大.最后利用双向流固耦合方法计算了不同举升压力螺杆泵的容积效率,与试验结果对比误差在±5%以内.

计及复杂换位结构的百万千瓦级汽轮发电机定子流固耦合传热研究

百万千瓦级汽轮发电机的定子绕组通常采用多根空、实心股线并绕的复杂编织换位结构,针对尺寸相差悬殊的复杂结构使得其定子流固耦合模型的数值求解存在网格数量多、容易出现奇异解的难点问题,该文提出三维区段式流固耦合网格划分方法,根据不同区段股线的结构及传热特点,通过非均匀网格划分方法大大降低求解模型的网格数量,实现计及复杂换位结构的定子流固耦合模型的数值求解,并通过一台124万kW水氢氢冷汽轮发电机的短路型式实验进行验证。在此基础上,提出定子绕组的新型交叉换位方法并与传统换位方法的温度进行对比,结果表明,新型交叉换位方法使定子绕组股线以及绝缘的温度分布更加均匀,并且能够有效降低定子绕组最高温度。

基于流固耦合的LNG储罐外罐地震响应分析

为研究流固耦合对LNG储罐外罐的地震响应问题,采用振动台试验和数值仿真相结合方法对不同地震波下不同液体高度的LNG储罐进行震动分析。试验结果表明:地震会改变罐体加速度和位移的分布情况,不同地震波和不同液体高度对位移和加速度的放大效应有着不同的影响,在El Centro波、Taft波和SHM2波作用下,流体振荡产生的减震作用和流体压力产生的附加惯性作用能够减小储罐中部的位移,但对加速度有所放大。利用时程分析法对5000m^(3)LNG储罐的位移和环向应力进行地震模拟分析,结果表明:储罐的环向应力呈现出中间大两头小的走势,在罐高的1/4h、1/2h和3/4h上出现极值;位移沿罐高度方向先增加后减少,峰值出现在1/4h、1/3h、1/2h和3/4h处。因此在LNG储罐抗震设计时,应考虑流固耦合效应对结构的影响,在1/4h、1/3h、1/2h和3/4h处的薄弱位置,宜采用增加壁厚、设置阻尼器和钢筋加密等措施增强结构的可靠性和安全性。

基于流固耦合算法的不同材料网板水动力试验

拖网网板的水动力模型试验结果会因加工工艺、加工方式、加工材料和试验条件等多种因素出现不同程度的试验偏差。为探究网板模型不同加工材料对水动力试验的影响机理,选取双开缝矩形曲面网板为研究对象,基于流固耦合算法结合动水槽模型试验,分析丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)3种3D打印材料网板模型与传统钢质网板模型的结构响应差异及其对水动力试验的影响规律。结果显示:采用传统金属材料(钢)与非金属材料(ABS)加工的网板模型在结构响应及水动力性能方面均具有显著差异,且随冲角和流速的增加,网板模型的最大变形量增加,进而导致升/阻力系数差异也进一步增加;PVC材料因其弹性模量较大、刚性较强,结构响应与金属材料较为接近,因而对水动力试验结果影响较小。基于上述结果,开展网板水动力模型试验时,可选用PVC作为3D打印材料,但需确保模型制作精度,避免模型材料对水动力试验结果精度的影响。

考虑双向流固耦合的受泥流冲刷桥墩力学性能分析

基于双向流固耦合理论和湍流理论,建立泥流冲击桥墩数值分析模型,并采用文献试验数据进行了验证。设定了3种不同截面的立柱进行冲刷计算,结果表明圆形截面立柱抗冲刷能力最好,三角形截面立柱导流效果较好。针对圆形截面桥墩进行了4种不同含沙量泥流冲刷工况的数值模拟,结果显示:含沙量越大,立柱被泥流冲刷破坏的可能性越大,与冲击力对比佐证,含沙量越大的泥流对立柱的损伤越强,此外,在一定含沙量范围内,桥墩动力响应会随着泥流含沙量的增大而增大,但超出这一范围,动力响应将骤减。

基于流固耦合的单轴跟踪式光伏结构风致扭转研究

以某跟踪式光伏发电系统为研究对象,通过编写自定义程序代码UDF对Fluent进行二次开发,建立单轴跟踪式光伏结构的二维模型,研究其在风荷载作用下的扭转振动问题。研究结果表明:风速达到某一特值后,结构出现等幅周期性振动,发生软颤振现象,而其阻尼比对抑制扭转振动有一定的作用,这同实际情况较吻合;光伏组件倾角在0°~20°范围内时,倾角越大,扭转振动的临界风速越低。

基于流固耦合共轨高压油管振动特性研究

为了研究流固耦合作用下共轨系统高压油管的振动特性,建立了高压油管的有限元模型。首先根据输液管道动力学方程,利用ANSYS软件分析管道附加流体质量下的湿模态特性;然后以均方根(root-mean-square)量化时程内的振动能量,研究流固耦合作用下管道不同弯头的振动响应,不同燃油脉动率、压力及激励频率对管道流致振动的影响,最后对比了共振频率下管道增设管夹前后的振动特性。结果表明:流固耦合下管道固有频率下降,在高阶模态下降率较明显,附加质量系数超0.13;不同弯头振动差异较大;振动能量与燃油脉动率呈正相关,与压力大小并无直接关系;接近自振频率下管道发生共振,振幅会急剧增大至超标;并且增设管夹后共振现象消失,振动能量下降率超90%。

极端运行阵风下风电叶片动力学响应特性流固耦合分析

基于CFD及有限单元法,利用ANSYS Workbench平台的Fluent与Transient Structural模块,对NREL 5 MW风电机组复合材料叶片在极端运行阵风下的气动特性及结构力学特性进行研究。结果表明:风轮气动载荷受极端运行阵风的影响较大,极端运行阵风作用下,风力机转矩及轴向推力等随风速的变化出现较大幅值的响应且响应峰值较阵风峰值均有所提前;叶片位移随风速的变化在峰值风速的前后出现大小两个峰值;在风速达到峰值时,与均匀来流阶段相比,叶片表面应力整体增幅较大。