基于CFD/CSD耦合的某液压管流固耦合特性计算研究

飞机控制广泛使用液压传动系统,在控制面操纵过程中,会造成液压系统内压力变动,对液压管路产生一定的冲击,液压管路在冲击下会产生变形和振动,进而影响管路内液体流动,产生流固耦合现象。本文对某液压管的流固耦合现象进行了CFD/CSD数值计算,得到了液压管内流动特性以及管壁的结构动响应,为液压管路的设计提供数值参考。

CFD/CSD耦合计算研究

基于流体———结构干扰计算中流体和结构网格之间的数据交换方法的研究 ,提出了一种改进的常体积转换法 (CVT) ,即引入面积限制值来保证网格插值的质量。运用该方法对两种常规外形 :机翼和弹体圆柱段进行了插值计算 ,并与无限平板样条法 (IPS)进行了比较和误差评估。认为改进的CVT插值方法能避免原CVT方法可能出现的异常情况 ,且大大提高了插值精度 ,是一种适合用于CFD CSD耦合计算接口界面的插值方法。

调谐液柱阻尼器-结构系统风致振动响应的CFD/CSD耦合分析方法

针对调谐液柱阻尼器(tuned liquid column damper, TLCD)难以建立其精确的非线性理论分析模型,且其力学性能试验成本高和耗时长等问题,首先采用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,对TLCD系统的力学性能和动力特征进行仿真模拟,在此基础上进一步提出了基于计算流体动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合分析方法,求解带TLCD系统的高层建筑结构的风致动力响应。通过开展某一TLCD系统在特定底部激励下的力学性能和动力特性试验,得到其内液体晃荡的自由液面波高和晃动力时程,验证了CFD数值模拟方法可以准确地分析TLCD水箱内液体的非线性晃动特征。随后对风工程领域广泛采用的76层建筑结构振动控制Benchmark模型,假设其顶部设置TLCD系统时主体结构在三种风速重现期(10、50和100年)风速对应的横风向动力风荷载激励下的风致控制效率,采用提出的CFD/CSD耦合分析方法,进行了数值仿真模拟分析。耦合分析结果表明,TLCD系统对Benchmark模型的风致加速度、速度和位移响应均有一定的控制效果,对加速度响应的控制效果要优于对位移响应的控制效果。该研究方法可为复杂TLCD系统对高层建筑的风振控制分析提供有效的参考。

基于CFD/CSD耦合算法的机翼颤振分析

用计算流体力学／计算结构力学（CFD／CSD）耦合算法对标准气动弹性模型AGARD445．6机翼作了颤振分析，主要研究机翼的跨音速颤振求解问题。采用常体积转换法（CVT）进行流体与结构之间的数据交换并运用松耦合方法对气动弹性方程进行时域推进仿真。计算机翼在Ma=0．499～1．072的颤振边界，并将计算结果同偶极子格网法（DLM）的计算结果与试验结果比较，结果显示CFD／CSD耦合计算结果较DLM计算结果更接近于试验值，尤其是在非线性强的跨音速区域。可见，CFD／CSD耦合计算比DLM具有很大的优越性。

基于单向求解、双向流固耦合的悬臂平板绕流涡激振动特性对比研究

本文采用双向流固耦合研究一端固定的二维平板(展向无限长)涡激振动特性,通过流场和结构之间力和位移的相互传递来实现双向耦合。同时,对不同雷诺数下的平板绕流涡激振动进行了计算,并与单向求解算法进行了对比。计算结果表明,当涡脱落频率接近结构固有频率时,将出现频率锁定现象,同时结构将产生极大的位移响应。在锁定雷诺数区域中,双向流固耦合结构位移响应明显小于单向求解算法,而在其他非锁定区间,两种算法差别较小。

流固耦合作用对双向流道泵装置流场影响

双向流道轴流泵装置由叶轮,导叶,双向进出水流道组成。双向进水流道由于其形状特征容易在叶轮进口端产生不稳定态,导致叶轮振动,而叶轮振动反过来又会影响泵装置的内部流动。为了研究流固耦合作用对双向流道轴流泵装置内部流场的影响,以双向流道轴流泵装置为研究对象,采用双向同步求解的方法对轴流泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解。结构计算基于弹性体结构动力学方程;流场模拟基于Reynolds时均化N-S方程和SST湍流模型。在考虑双向进出水流道的情况下,将流固耦合计算前后所得轴流泵内部流场分布与叶轮表面压力分布进行对比分析。研究结果表明,考虑流固耦合作用后,进水流道出口处压力波动强度增大,涡量强度增大;叶轮工作面速度增大,导叶附近的漩涡位置发生变化;叶轮工作面与背面压力差减小,叶轮做功效率下降,轴流泵装置扬程下降。

螺旋离心泵的双向流固耦合分析

基于Reynolds时均化N-S方程、标准k-ε两方程湍流模型,以及结构响应的弹性体结构动力学方程,采用多重坐标系法,对螺旋离心泵清水介质时的内流场和结构动力学进行双向流固耦合全三维数值计算,将计算结果与非流固耦合计算流场进行对比,分析流固耦合作用对泵外特性及不同叶轮位置泵内压力场和速度场的影响。结果表明:采用双向流固耦合模式的扬程和效率预测值更接近试验值;在小流量下流固耦合作用对外特性的影响较大,而在大流量下对外特性影响较小;流固耦合作用对压力场和速度场的影响主要集中在蜗壳扩散段,对蜗壳其他部位和叶片影响较小;在两种计算模式下蜗壳中截面压力分布出现明显差别,并在叶片出口正对隔舌时压力分布出现突变。

基于双向流固耦合的三螺杆泵转子强度研究

针对高负载下三螺杆泵螺杆的结构形变问题,通过双向CFD/CSD耦合模拟方法求解雷诺平均N-S方程和结构运动方程,对不同工况下的螺杆泵进行双向流固耦合数值模拟。结果表明:三螺杆泵的出口压力最大,中间压力次之,进口压力最小;三螺杆泵介质压力产生的载荷对螺杆的变形和应力影响较大,单向耦合下螺杆的变形是扭矩作用下的4.8倍,应力是扭矩作用下的1.5倍,双向耦合下螺杆的变形和应力相比单向耦合增大2%左右;主从动螺杆的应力都随螺杆长度的增大逐渐增大,位于出口端螺杆的应力较大。研究结果对三螺杆泵的结构设计优化提供了有益参考。

大颗粒气力输运的CFD与EDEM耦合计算方法

为掌握冰雹颗粒抛射运动过程规律,以支撑冰雹抛射装置设计,需进行冰雹颗粒气力输运过程计算。通过计算流体力学与离散单元法双向耦合进行冰雹等大颗粒气力输运问题的模拟仿真。通过进行不同气源压力、不同抛射管径、不同抛射管长、不同冰雹流量条件下的计算及对比,得到随着气源压力的增大,冰雹抛射速度逐渐增大,气流流量逐渐增大;随着抛射管径的增大,冰雹速度逐渐增大,气流流量平方级增长;随着抛射管长的增大,冰雹速度基本保持不变,气流流量略有减小;随着冰雹流量的增大,冰雹速度逐渐减小,气流流量逐渐减小。

基于双向流固耦合的高压供油泵主轴润滑分析

为了改善转子式高压供油泵的润滑问题,建立主轴关键润滑部位的仿真模型。基于弹流润滑和计算流体力学理论,通过Fluent与MATLAB两种仿真软件分别计算流体压力,并对比两种仿真软件计算出的油膜压力值。通过Workbench平台搭建双向流固耦合计算模型,计算不同表面粗糙度、工作转速、润滑油黏度对弹流润滑的影响。结果表明:主轴转速和润滑油黏度增加都会使油膜压力和主轴的形变量显著增加,使润滑环境更恶劣;在不考虑多相流的情况下,表面粗糙度对润滑的影响较小。主轴的表面粗糙度增大对润滑油的流动具有阻滞作用,可以降低油膜压力,缓解主轴产生的形变,但效果不明显。

基于双向流固耦合的高雷诺数下螺旋刚性肋对三维细长圆管涡激振动影响的研究

采用ADINA软件,基于计算流体力学研究方法,采用SST湍流模型,对雷诺数为2×106的顺风向铰接、横风向固接的细长圆管进行双向流固耦合数值模拟,通过比较数值分析的细长杆件中部节点的顺风向振动位移与理论计算的细长圆管中部节点的顺风向振动位移,验证了模型建立的正确性。在此基础上,得到了其顺风向位移曲线及横风向位移曲线。并采用同样的方法对带有螺旋刚性肋的细长圆管进行双向流固耦合计算,与无螺旋刚性肋的细长圆管的横风向位移曲线进行比较,探究了螺旋刚性肋对细长圆管涡激振动的影响效果。研究结果表明:螺旋刚性肋可以明显的减弱涡激振动对细长圆管的影响,在30m/s的风速下,其横风向振幅减弱90%,细长圆管应力减弱65%。

双向流固耦合对螺旋离心泵内外特性的影响

采用双向流固耦合与非流固耦合计算对螺旋离心泵内外特性进行对比研究,分析了流固耦合作用对泵内部流场的影响。流场计算基于Reynolds时均化N-S方程和标准k-ε两方程湍流模型,采用多重坐标系法,结构响应基于弹性体结构动力学方程。两种计算结果表明,采用流固耦合计算的外特性更接近清水试验值,流固耦合作用对喉部及扩散段影响显著,在扩散段降速增压作用下,流固耦合作用对出口截面影响减弱,蜗壳水力设计时应适当考虑流固耦合作用。

一种流体-结构耦合计算问题的网格数据交换方法

气动 /结构耦合数值模拟是研究非线性气动弹性的基础。数据交换和插值是非线性气动弹性仿真问题的关键。目前的插值方法不能满足非线性气动弹性问题。本文提出了一种有限元四节点 ( FEFN)插值方法。该方法是一种局部插值方法 ,并不依赖于结构模型带来的整体信息。以圆柱体为具体算例 ,插值结果与有限平板插值方法 ( IPS)进行了算例对比 ,表明 FEFN方法更能代表计算物体的表面 ,且计算简单、计算量小、误差小 ,是一种适合计算流体力学 ( CFD) /计算结构动力学( CSD)耦合仿真的界面数据交换工具。

船舶螺旋桨流固耦合稳态求解算法

为了研究复合材料变形特性对螺旋桨水动力性能的影响,运用计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺时均纳维斯托克斯(RANS)方程和3种湍流模型,计算了螺旋桨的敞水性能并将其和试验结果进行了对比,两者吻合较好,验证了流体计算的准确性.推导了变形后的螺旋桨纵倾、侧斜、叶切面螺距以及拱度等几何参数,并将CFD软件计算和有限元求解耦合起来,即首先利用流体计算软件计算桨叶压力载荷,再将流体载荷通过插值技术传递给有限元,计算出螺旋桨的变形,然后再将变形后的桨叶几何输入流体计算软件,反复迭代,直至结果收敛的过程,实现了螺旋桨稳态性能求解的流固耦合算法.该算法可以计算螺旋桨在不同转速和进速下的应力分布和变形,能够求解螺旋桨变形后的压力分布和水动力性能,适用于复合材料螺旋桨的设计.

高速滑动轴承流固耦合传热及流场分析

通过建立高速滑动轴承的轴瓦-润滑油-轴颈的流固耦合传热系统,将单个传热外边界条件变成内边界,采用计算流体动力学(CFD)方法求解该耦合系统的连续性方程、能量方程和Navier-Stokes方程组,得到耦合系统的温度场、流场和流固界面传热量,解决轴瓦、润滑油、轴颈之间的流固界面的温度和换热系数等传热边界条件难以确定的问题。结果表明:高速滑动轴承油膜压力随着供油压力的增加、轴颈转速的提高而增大;随着轴颈转速提高,油膜将发生破裂,提高供油压力可以抑制油膜破裂的发生;提高供油压力、轴颈转速,加剧润滑介质的流动,均能一定程度地降低轴颈的温度;轴瓦与油膜之间的传热大于轴颈与油膜之间的传热,轴颈、轴瓦与润滑介质之间的传热与润滑介质温度相关。

长时间流固耦合传热过程的快速算法

针对千秒级长时间流固耦合传热(CHT)过程求解问题,进一步提出一种基于准稳态流场的全局瞬态紧耦合传热的新型松耦合算法。交替使用单独对流体区域进行稳态流场求解的算法更新流场,以及同时对流固区域进行瞬态传热求解的算法计算瞬态温度场。该算法相对于传统流固松耦合算法,可以大大减小流场更新频率,进一步显著提高计算效率。以管内定来流速度空气连续300 s的强制对流瞬态加热过程为例,利用Fluent软件证明了该算法相对于瞬态紧耦合算法获得的管体结构温升最大偏差为5%,而计算耗时减小到14.8%。

基于流固耦合的气体静压导轨侧向静态特性分析

气体静压导轨的结构变形会造成气膜的压力分布与理论模型存在明显偏差,从而影响了其静态特性。研究建立了气体静压导轨的流固耦合模型,分析了导轨两侧气膜压力分布与结构变形的关系;此外,通过双向流固耦合仿真,得到了在不同位置外力作用下气体静压导轨的承载能力和位移的关系,以及导轨变形情况和位移的关系,分析了不同位移下导轨变形与承载力的关系。最终通过实验对流固耦合仿真数据进行了验证,得出流固耦合仿真数据与实验结果较为吻合,在不同位置的外力作用下的气体静压导轨的静态特性相差较大。

偏心桥梁断面颤振稳定性流固耦合数值模拟研究

以Ansys Fluent为平台,对二维两自由度偏心桥梁断面风致振动进行数值模拟研究。将Newmark-β法编程嵌入UDF,在每一时间步上求解微分方程得到并更新物理量的方式实现自由振动流固耦合。与非偏心桥梁节段模型相比,偏心节段模型动力学方程式左右两边分别耦合,利用Newmark-β法求解矩阵形式的偏心两自由度动力学方程组并输入简谐荷载进行调试,对比数值解和解析解证明程序正确性。非偏心节段模型数值模拟颤振临界风速与其他学者实验得到的颤振临界风速高度一致,通过此模拟方法进一步模拟偏心对桥梁节段模型的颤振稳定性提高效果。通过风洞试验验证了数值模拟的可靠性。

应用流固耦合分析车用永磁同步电机轴内油冷系统

针对车用永磁同步电机体积小、功率密度高,易产生热量集聚的特点,基于计算流体力学(CFD)流固耦合分析方法,对电机轴内冷却结构进行综合设计分析,保证电机散热。利用Ansoft Maxwell软件对电机进行仿真,得出各部件损耗结果。设计出四种轴内油冷结构3D模型,结合电机损耗数据进行流固耦合分析。控制其它变量保持一致的情况下,对四种轴内油冷结构从液体流速、压降、温升三个方面进行对比分析,得出最优的轴内油冷结构为周向矩型结构。最后,对周向矩型油道的完整电机进行流固耦合分析,与无冷却系统电机的温升云图进行对比,验证了该轴冷结构的有效性。

恶劣海况下船舶砰击颤振响应特性数值计算与试验研究

[目的]针对恶劣海况下船舶所受砰击颤振响应现象,探究船舶非线性波浪载荷与瞬态高幅值砰击载荷的耦合作用。[方法]采用计算流体动力学与有限元方法(CFD-FEM)相结合的双向流固耦合方法对S175集装箱船进行数值仿真计算,并与试验结果及切片理论计算结果进行对比验证;采用分段变截面弹性龙骨梁模型开展船舶的砰击颤振特性模型试验,基于CFD-FEM双向流固耦合方法开展船艏砰击载荷及高频非线性砰击颤振响应特性分析,并与模型试验结果进行对比验证。[结果]结果显示,波浪砰击载荷对船艏颤振响应的影响不可忽视,6级海况下由砰击颤振诱发的二阶高频成分分量占低频波浪弯矩的59.86%。[结论]采用基于CFD-FEM的双向流固耦合方法可准确计算船首砰击颤振响应;在高海况下船舶所受非线性波浪载荷及结构动态响应易受船首瞬态砰击载荷的影响,在船舶结构设计与安全评估中需考虑高频砰击颤振的情况。