淺析基于Fluent的二自由度圓柱渦激振動(dòng)數(shù)值模擬與應(yīng)用

一、案例描述

本案例源自美國(guó)康奈爾大學(xué)經(jīng)典圓柱水槽試驗(yàn)，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，管柱被認(rèn)為是一個(gè)有彈性支撐的剛性結(jié)構(gòu)，結(jié)合切片理論可將計(jì)算模型簡(jiǎn)化至二維，可以看作是一個(gè)質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)，如圖中所示



圓柱渦激振動(dòng)示意圖

計(jì)算參數(shù)如下表所示

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二、采用Designmodeler進(jìn)行幾何模型建立

Workbench中導(dǎo)入Fluid Flow

右擊Geometry，選擇designmodeler

詳細(xì)幾何建模過(guò)程不進(jìn)行描述

流體計(jì)算域模型如圖所示，模型使用的計(jì)算域?yàn)?0D×20D矩形區(qū)域。入口邊界距離圓柱中心10D處，出口邊界距離圓柱中心20D處，上部邊界和下部位于距圓柱體中心10D處，并被定義為對(duì)稱邊界。

其中圓柱位于入口下游10D處，位于橫流方向的中心線（y=0）。阻塞率為圓柱直徑與流場(chǎng)域?qū)挾鹊谋戎担疚淖枞蕿?.05，不超過(guò)0.05，故滿足要求。采用“剛性運(yùn)動(dòng)區(qū)域+動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域+靜止網(wǎng)格區(qū)域”多區(qū)域劃分的方法來(lái)建立圓截面渦激振動(dòng)流場(chǎng)區(qū)域，整體流場(chǎng)分為外流域部分和內(nèi)流域部分。

注：為保證流場(chǎng)在內(nèi)外流域交界地方一致性，選中內(nèi)外流域，鼠標(biāo)右擊from a part，可保證后續(xù)畫網(wǎng)格時(shí)具有網(wǎng)格一致性。

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三、采用Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分

Workbench中導(dǎo)入Fluid Flow

雙擊Meshing，詳細(xì)網(wǎng)格劃分步驟在這里不介紹了

整體流場(chǎng)在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用“剛性運(yùn)動(dòng)區(qū)域+動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域+靜止網(wǎng)格區(qū)域”的 方法來(lái)建立圓截面渦激振動(dòng)網(wǎng)格劃分區(qū)域，如圖中所示，具體劃分區(qū)域如下：

?

(1) 動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，F(xiàn)luent動(dòng)態(tài)網(wǎng)格模型算法采用Smoothing+Remeshing的方式更新動(dòng)網(wǎng)格，此區(qū)域?yàn)樽冃螀^(qū)，為圓柱的振動(dòng)提供了一個(gè)運(yùn)動(dòng)的空間，其網(wǎng)格會(huì)因圓柱的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行重新劃分，因此網(wǎng)格的初始質(zhì)量好但隨著重新劃分可能有所下降，但可通過(guò)參數(shù)設(shè)置使重新劃分后的網(wǎng)格質(zhì)量盡可能好。

此區(qū)域的大小由圓柱的振幅大小決定， 考慮到文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的最大振幅為1.5D左右，因此動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域尺寸取為6D×6D，留有充足的空間允許圓柱進(jìn)行大范圍的的振動(dòng)，能夠很好地滿足數(shù)值計(jì)算的需要(避免振幅超過(guò)容許空間從而擠壓外邊界形成負(fù)網(wǎng)格)；

(2)剛性運(yùn)動(dòng)區(qū)域主要包括圓柱流固耦合邊界與邊界層區(qū)域，圓柱近壁面邊界層網(wǎng)格采用膨脹層網(wǎng)格處理，使在主要流速下預(yù)估的Y+=1，邊界層第一層高度可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，近壁面劃分15層四邊形結(jié)構(gòu)化邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格增加率設(shè)置為1.2，向外過(guò)渡至與動(dòng)網(wǎng)格的交界處。

邊界層區(qū)域網(wǎng)格尺寸較小、網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好并具有與圓截面相同的運(yùn)動(dòng)速度，因此將隨著圓截面的振動(dòng)而振動(dòng)，由此來(lái)保證圓截面附近的網(wǎng)格一直處于初始的高質(zhì)量狀態(tài)從而確保各時(shí)間步都具有足夠的計(jì)算精度。

(3) 靜止網(wǎng)格區(qū)域采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，整體網(wǎng)格尺寸網(wǎng)格尺寸保持不變，用以為模擬尾流中的渦街提供更好的計(jì)算精度。

四、Fluent 基本設(shè)置

步驟一：?jiǎn)?dòng)fluent

Workbench中導(dǎo)入Fluid Flow

雙擊Setup，不考慮運(yùn)行計(jì)算的話，默認(rèn)即可

步驟二：General 設(shè)置

點(diǎn)擊左側(cè)模型樹節(jié)點(diǎn) General ，出現(xiàn) General 面板，如圖所示。

對(duì)面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置 Scale…

點(diǎn)擊scale…

將單位修改為與幾何建模時(shí)尺寸單位保持一致

點(diǎn)擊close

Check

點(diǎn)擊 Check 按鈕，屏幕輸出網(wǎng)格信息如圖所示，確保網(wǎng)格最小體積為正值



Time



由于渦激振動(dòng)屬于周期性振動(dòng)，Time選項(xiàng)設(shè)置為transient，進(jìn)行瞬態(tài)研究 其余保持默認(rèn)即可

步驟三 Models設(shè)置

選擇模型樹節(jié)點(diǎn) Models ，在右側(cè) Models 列表項(xiàng)中雙擊，彈出湍流模型設(shè)置對(duì)話框。設(shè)置參數(shù)：

選擇 Model 為 k-omega （ 2 eqn ）

選擇k-omega Model 為 SST

選擇OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框

其他保持默認(rèn)即可

步驟四：Materials設(shè)置

選擇模型樹Materials，分為流體材料fluid和固體材料solid，雙擊材料空氣air進(jìn)行設(shè)置，彈出材料設(shè)置窗口

點(diǎn)擊Fluent Datebase…

下拉菜單至最后，找到材料水（water）

點(diǎn)擊Copy

其余選擇默認(rèn)，點(diǎn)擊close關(guān)閉

步驟五 Cell Zone Conditions

選擇模型樹Cell Zone Conditions，雙擊彈出區(qū)域設(shè)置窗口，如圖所示

分別選擇part-dongquyu和solid-part-jignzhiyu，將屬性設(shè)置為流體

將material name 選擇為 water-liquid

其余保持默認(rèn)，點(diǎn)擊close關(guān)閉

步驟六：Boundary Conditions

點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn) Boundary Conditions ，參數(shù)面板如圖所示。

1、Inlet 邊界設(shè)置

鼠標(biāo)雙擊 inlet 列表項(xiàng)。設(shè)置參數(shù)：

設(shè)置 Velocity Magnitude 為 0.09m/s

設(shè)置 Specification Method 為 Intensity and Hydraulic Diameter

設(shè)置 Turbulent Intensity 為5%

設(shè)置Hydraulic Diameter 為 0.0381

選擇OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框

2 、 Outlet 設(shè)置

鼠標(biāo)選中 outlet 項(xiàng)，設(shè)置 Type 為 Pressure-outlet，Gauge pressure設(shè)置為0，其他參數(shù)保持默認(rèn)。

步驟七 ：Dynamic Mesh

點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn) Dynamic Mesh ，參數(shù)面板如圖所示。

勾選Dynamic Mesh

勾選Smoothing和Remeshing

點(diǎn)擊settings…，選擇 spring

選擇remeshing，點(diǎn)擊default，點(diǎn)擊ok

導(dǎo)入外部UDF文件

點(diǎn)擊菜單欄User-Defined

點(diǎn)擊Functions，選擇第二個(gè)Compiled

選擇需要的UDF文件

點(diǎn)擊Build，點(diǎn)擊加載Load

邊界層網(wǎng)格分離

點(diǎn)擊菜單欄Domain

選擇Adapt，點(diǎn)擊Manage…

選擇Cell Registers，點(diǎn)擊New

點(diǎn)擊boundary

選擇Boundary zone 中的fsi

設(shè)置number of cells 為相應(yīng)邊界層網(wǎng)格的層數(shù)

點(diǎn)擊save/display

點(diǎn)擊close關(guān)閉

點(diǎn)擊Domain 中的 separate，選擇cell…

選擇boundary_0和part-dongquyu

點(diǎn)擊separate

點(diǎn)擊close關(guān)閉

邊界運(yùn)動(dòng)或變形的指定

點(diǎn)擊動(dòng)網(wǎng)格部分的dynamic mesh zones的create

Zone name 選擇為fsi

Type 選擇為剛體運(yùn)動(dòng) Rigid body

UDF選擇導(dǎo)入的fluid：：libudf

將分離出的邊界層網(wǎng)格part-dongquyu:013進(jìn)行相同的操作

其余默認(rèn)，點(diǎn)擊close關(guān)閉

步驟八 Reference Values

選擇模型樹節(jié)點(diǎn) Reference Values，如圖所示

Compute from 選項(xiàng)選擇為 inlet

Area 設(shè)置為0.0381

Density設(shè)置為998

其余保持默認(rèn)

步驟九 Solution Methods

此模型保持默認(rèn)參數(shù)

Step 11 ：Solution Controls

保持默認(rèn)參數(shù)

步驟十 Monitors

選擇模型樹節(jié)點(diǎn) Monitors，如圖所示，選擇Report Files，鼠標(biāo)右鍵，點(diǎn)擊edit‘’

點(diǎn)擊report files 中new…

點(diǎn)擊new report file中的new，選擇force report，點(diǎn)擊lift…

Name 可自己命名名字

點(diǎn)擊lift force，選擇fsi

勾選report file和report plot

點(diǎn)擊OK，關(guān)閉窗口即可

步驟十一 Initialization

點(diǎn)擊模型樹中的 initialization，出現(xiàn)如圖所示窗口

選擇 Standard Initialization

Compute from 選擇 inlet

點(diǎn)擊 initialize

步驟十二 Calculation activities

雙擊 solution animations，如圖所示

點(diǎn)擊new object

選擇contours…，如圖所示

云圖Contours of 選擇 為velocity

點(diǎn)擊save，出現(xiàn)初始速度云圖

鼠標(biāo)滾輪調(diào)整到合適窗口，選擇contour2，點(diǎn)擊use active

點(diǎn)擊OK

步驟十三 Run calculation

點(diǎn)擊左側(cè)模型樹節(jié)點(diǎn)Run calculation ，出現(xiàn) Run calculation 面板，如圖所示。

將number of time steps 設(shè)置為需要時(shí)間步數(shù)

每一個(gè)時(shí)間步時(shí)長(zhǎng) time step size設(shè)置為0.01

點(diǎn)擊calculate，進(jìn)行計(jì)算

步驟十四 查看計(jì)算結(jié)果

點(diǎn)擊模型樹Results，可查看殘差曲線、各種云圖（速度、壓力等），速度矢量圖、動(dòng)畫等

審核編輯：劉清