船用螺旋桨流固耦合振动特性分析

在船舶航行中,应避免激振力的频率与螺旋桨叶片固有频率接近而产生的共振,达到避振效果.分别使用直接耦合数值计算和瞬态激励实验方法,研究了某实桨叶片在空气中和浸入静水域中的固有流固耦合(FSI)振动特性.结果表明:数值计算与实验结果吻合较好;直接耦合法具有精度高和收敛性好的优点.根据工程实际要求,提出了螺旋桨叶片首阶振动频率的经验公式,估算精度满足要求,具有节省时间、提高效率的优点.

基于WCSPH-SPIM流固耦合模型的弹性体入水模拟

对于入水砰击这类强非线性问题,运用网格方法不可避免会发生网格畸变、自由液面捕捉不准确等问题,而拉格朗日型无网格方法在处理该类问题时展现出很强的优越性。针对这一特点,采用两种无网格方法分别作为流体与固体求解器、建立流固耦合模型模拟入水问题;在通过刚性体入水问题对弱可压光滑粒子水动力法(WCSPH)进行验证之后,采用新提出的弱可压光滑粒子水动力与光滑点插值(SPIM)流固耦合方法(WCSPH-SPIM)分别对弹性体低速和高速入水问题进行了计算。结果显示关键点处变形与压力随时间的变化情况都与试验值或半解析解吻合良好,证明了该方法对模拟弹性体入水问题的有效性。

考虑流固耦合的Spar型浮式风力机涡激运动特性研究

对弹性支撑单圆柱在均匀流作用下的涡激运动特性进行数值模拟,捕捉到"锁定区"、"拍"、"频率变换"等现象。柱体周围流场采用Fluent求解,将4阶Runge-Kutta方法代码写入用户自定义函数(UDF)求解运动微分方程,运用动网格技术更新流场,实现圆柱与流场的非线性耦合作用。发现随着折合速度的增大,涡激运动响应可分为锁定前支、锁定区、锁定后支3个阶段,在进入锁定区前(折合速度Ur=3)横向运动响应发生拍现象,当跨过锁定区后(折合速度Ur=10)发生频率变换现象。结果表明,横向涡激运动有较大范围的频率锁定现象,频率解锁前后圆柱涡激运动轨迹由"右8字"形变换为"左8字"形。

基于FSI的液压滑阀阀芯稳态热分析

针对液压滑阀在中高压系统中,粘性加热使油流温升显著,阀芯受热膨胀,发生磨损甚至卡紧的现象,该文建立了液压滑阀的计算机流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)三维模型和稳态传热有限元模型(Finite Element Analysis,FEA),利用流固耦合(Fluid-Solid Interaction,FSI)计算了阀芯在不同开口度下的速度、阀芯温度和阀芯热变形量,分析阀芯在不同开口度下的最高温度和最大变形量的变化趋势,为液压滑阀的设计提供一定的参考意义。

核岛结构PCS水箱FSI效应简化方法研究

高置冷却水箱是核电厂非能动安全壳冷却系统(PCS)的重要组成部分,在进行动力分析时,必须考虑冷却水与屏蔽厂房之间的流固耦合(FSI)效应。由于FSI效应问题复杂,数值分析耗时较长,因此,在研究核岛结构动力分析时,有必要采用简化方法,在满足计算精度要求的前提下,提高计算效率。基于Housner模型,提出一种考虑液体-水箱相互作用的简化模型。采用ADINA软件分别进行水箱FSI模型和简化模型的核岛结构三向地震反应分析,分析了FSI模型和简化模型结构反应的峰值加速度、楼层反应谱和有效应力相对误差。结果表明:提出的水箱简化模型可用于高置冷却水箱核岛结构三向地震反应分析,能够很好地模拟FSI效应。

基于FSI分析方法的温度计套管应力分析

以铂电阻温度计套管为研究对象,利用有限元分析软件建立了温度计套管在压力管道中的流体动力学模型和结构力学模型,并运用流固耦合(FSI)分析方法在液固界面进行数据传递,得到了流场中温度计套管的等效应力分布云图和三维流速矢量云图,并结合ASME中的计算方法对仿真结果进行了分析。结果显示,流速矢量云图能较真实地反应出圆柱绕流过程中形成的层流区,湍流尾流区,回流等。应力分布云图,反应出了套管的拉应力,压应力分布区域,对设计者在产品设计过程中,减小应力集中部位的拉应力有很好的参考作用。

基于MPS-FEM耦合方法对比研究刚性与弹性挡板对液舱晃荡的抑制作用（英文）

由流体冲击载荷引起的流固耦合问题广泛存在于船舶与海洋工程领域.例如:在特定激励频率下载液货舱内流体的非线性运动引起对舱壁的砰击作用,进而可能影响液舱围护系统的安全性.由于此类流固耦合问题通常涉及多学科知识,且流体自由面的变化具有强非线性特征,对研究人员带来较大挑战.考虑到Lagrange类方法在处理结构和流体自由面大变形问题上的优势,基于MPS-FEM耦合方法开发了流固耦合求解器.其中,采用MPS方法来数值模拟流体场瞬态变化,FEM方法来分析结构场的变形问题.此外,该求解器采用了弱耦合的方式来实现流体场和结构场之间的数据传递.为了验证该方法在处理流固耦合问题上的可靠性,首先数值研究了溃坝泄洪流与弹性挡板之间的流固耦合标准算例,数值结果与实验标准结果能够较好地吻合.此后,采用该求解器数值研究了带刚性挡板和弹性挡板的液舱晃荡问题,对比分析了多种激励频率下两种挡板对液舱内流体运动及舱壁上冲击压力的抑制效果.

基于FSI的4-方程模型的改进分析

传统水击理论所用的连续方程未能反映水击发生时管道内存在的液体压力波速、管道应力波速、流体波速,且进行了大量的简化却不能更好地反应管道系统的实际运动状态。本文主要基于现有的水击计算理论及其耦合理论,在考虑管道纵横两个方向都反映水击耦合特性的情况下,利用特征线法,求出耦合波速;并在推导新的连续方程时将求出的耦合波速替代推导传统4-方程模型的连续性微分方程时水击波速与流速的关系,得到新的连续方程;并忽略高次微量和压力梯度等对新的连续方程进行一定简化,与简化后的流体动量方程、管道运动方程和物理方程构成了改进的轴向4-方程模型。将改进模型求解出的耦合波速与经典模型的进行比较,结果表明两耦合波速相近,但改进模型在考虑管道纵横两个方向都反映水击耦合特性的因素后,理论上会更严瑾、更合理。

基于CFD和FSI的摆线泵仿真分析

目前在摆线泵数值模拟方面,多数研究基于CFD对不同运行工况(如转速、温度等)下的泵进行分析,未考虑在流固耦合(Fluid Structure Interaction,FSI)作用下泵的特性。首先基于COMSOL软件建立了摆线泵的模型,对旋转域采用动网格技术,流固耦合界面进行设置,设置相应的边界条件后对泵进行CFD和FSI仿真,并与试验结果进行对比。结果表明:FSI的仿真的流量平均值均更接近试验的结果,FSI出口处流量脉动率最大;FSI和试验的出口压力平均值均低于CFD的仿真值,且CFD和FSI的压力均值更接近实际出口边界设置。通过对比内外转子间流体域某一截面速度和压力得出:在吸油区域计算得到的负压CFD大于FSI,计算得到的速度CFD小于FSI;在排油区计算得到的正压力CFD大于FSI,计算得到的速度CFD小于FSI的结果。在内外转子与流体耦合界面某点处CFD的压力随时间的波动值均大于FSI的压力值。通过对比发现耦合对计算结果有很大的影响,对泵进行流固耦合分析使得分析结果更加真实,更有利于对泵的流场和转子动力学特性进行分析。

液体火箭发动机充液导管流固耦合动力学特性

为了深入研究流固耦合(FSI)作用对液体火箭发动机充液导管频率特性的影响,采用传递矩阵法(TMM)建立了空间导管流固耦合动力学计算模型.针对真实发动机导管开展了传递矩阵模型与传统基于附加质量的有限元(FEM)(非耦合)模型仿真计算以及模态试验验证,比较了管径、壁厚等结构参数对导管流固耦合作用的影响.结果表明:在流固耦合作用下,导管各阶谐振频率减小、而对应的流体振荡与结构振动幅值增大.管径对导管低阶频率特性的影响较壁厚对其影响更大.对于该算例,当管径大于设计值30%后,耦合作用引起的1阶频率误差高于10%,此时流固耦合不能忽略;而壁厚对1阶谐振频率的影响则小于8%.

引信用MEMS悬臂梁式压电射流发电机设计分析

针对目前引信用压电式气流谐振发电机体积大,压电膜片难以达到谐振状态,且有输出电压低等缺点,结合常用射流发电机原理和微机电系统(MEMS)制造工艺,提出了一种MEMS压电式射流发电机,其以悬臂梁式压电膜片代替压电膜片结构发电,并通过双向流固耦合分析及压电仿真等对发电机的性能进行了验证,结果表明,MEMS压电式射流发电机可满足低功耗引信使用,且具有结构简单,体积小,输出电压高等特点。

基于动态边界的跨声速压气机过渡态载荷研究

针对航空涡轮发动机压气机部件的过渡态,基于动态边界并结合双向流固耦合(FSI)方法模拟了跨声速压气机NASA Rotor 67的过渡态过程,获得了考虑叶片弹性变形的压气机过渡过程特性曲线,研究了叶片气动弹性变形对跨声速压气机加速过程中气动参数、流场激波结构演变过程的影响,分析了加速过程中非定常气动载荷与离心载荷共同作用下的叶片变形特征。结果表明:随转速升高,叶片变形对上半叶高区域的总压比和总温比的影响较显著;加速过程中,叶片变形对通道内激波结构特征及其演变有一定的影响;叶片变形主要集中在上半叶高,以弯曲变形为主导,主要由离心载荷造成,加速过程中叶尖区域的叶型出现反扭现象,从而引起压气机气动性能参数的变化。

一种空中加油可变阻尼稳定伞设计及性能分析

为了突破传统空中加油稳定伞对于加油机飞行速度和高度的限制,设计了一种加装气动弹性支架的可变阻尼稳定伞。通过流固耦合(FSI)数值模拟,得到不同工况下的片状弹簧变形与稳定伞伞面形状,通过计算流体动力学(CFD)得到稳定伞气动力的变化趋势。根据气动力结果计算软管的拖拽形状及锥套下沉量。仿真结果表明:所设计的可变阻尼稳定伞的阻力变化量和锥套在空中位置变化范围分别降至传统稳定伞的70%和60%,能够实现阻力的自适应控制,拓宽了传统结构稳定伞适用的速度、高度范围。