二维流场中圆截面植物与流场耦合的力学特性的数值研究

发布时间：2020-04-21 03:32

【摘要】：流固耦合问题广泛地存在于多种工程实际中,如房屋桥梁工程、海洋工程、防风工程等。粘性流体流经非流线型柔性固体结构时,在固体结构后方形成周期性脱落的涡街,诱发产生周期性变化的流体作用力,并使固体结构振动,振动会改变固体结构附近的流场,进而影响流体对固体结构的作用力,这一过程即为流固耦合过程。研究流固耦合过程中流体与固体结构间的作用、结构的最大振幅、流体作用力及其频率组成、流场特征和能量输运等问题有助于更深入地理解这一过程,并为工程实际提供理论支持。目前针对这类流固耦合问题的研究多以实验为主,数值模拟较少,分析流场特征的研究更少。本文针对圆截面植物与流场的耦合过程,利用Fluent软件计算流场,首先改进了Newmark-β法,接着将基于Newmark-β法编写的程序嵌入到Fluent中实现圆柱与二维流场的流固耦合,并用于计算柱体响应。对二维情形下,两自由度圆柱与流场耦合运动的过程进行了数值研究,并分析了不同流速与系统参数下,柱体响应与流场特征的变化规律。主要内容如下:1、首先介绍了柱体与流场间流固耦合问题的基本方程,并对求解柱体振动响应的Newmark-β法进行了改进,模拟结果与Khalak和Williamson等人的实验结果吻合较好,证明本文所采用方法的合理性。基于此,开展了二维流场中圆柱与流场耦合问题的数值研究。2、系统质量比和系统阻尼比是两个影响圆柱与流场间流固耦合过程的重要参数,本文分别研究了系统质量比和系统阻尼比对圆柱响应的影响。分析了系统参数对圆柱最大振幅和流体作用力的影响。3、基于数值结果,分析了流场特征和能量输运特征在不同系统参数下的变化规律。定义了圆柱对流体的有效阻挡,并分析了系统质量比与系统阻尼比对有效阻挡区间的影响,为工程防风结构材料的选取提供理论依据。
【图文】：

风场与植被下垫面的相互作用是一类典型的流固耦合问题。如风场中的圆截面植物，其垂向尺寸远远超过截面尺寸，在一定范围内，可认为来流速度不沿圆柱垂向变化，于是此类问题可简化为二维流场中弹性约束圆柱与流场耦合的动力学问题。2.1 流场-圆柱流固耦合理论模型2.1.1 简化物理模型为分析圆柱形植物某一截面的风振响应和局部风场特征，将植物的弹性模量等弹性效应用弹簧刚度来表征，植物的阻尼效应用阻尼来表征。于是可以将此类问题简化为如图 2.1 所示的二维平面内均匀来流作用下的两自由度圆柱-弹簧-阻尼系统。其中，圆柱在 Z 方向（垂向，垂直于纸面向外，图中未标出）上被固定，仅可在 X 方向（流向）和 Y 方向（横向）上振动。

流固耦合中圆柱的响应特征主要包括横向与流向位移响应、作用力频率与作用力最大值。圆柱的位移和作用力最大值影响振动的强弱，，同时影响圆柱尾涡脱落模式，继而影响圆柱下游流场；而流体作用力频率体现了振动的剧烈程度，影响尾涡脱落的快慢。因此分析柱体响应特征随系统参数的变化规律具有重要的工程实际意义。本章首先对照 Khalak 的实验结果，验证了数值模型的合理性，并设置了五组实验组，研究圆柱响应特征随系统参数的变化规律。3.1 模型验证3.1.1 网格与计算参数计算域的网格划分如图 3.1 与图 3.2 所示，图 3.1 为计算域整体网格图，尺寸为 36D×24D，D 为圆柱直径。坐标原点 O 位于圆柱中心，坐标轴如图所示，X 轴正方向为流向，Y 轴正方向为横向。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O353.4

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本文编号：2635312