淺析基于Fluent的二自由度圓柱渦激振動數(shù)值模擬與應用

一、案例描述

本案例源自美國康奈爾大學經(jīng)典圓柱水槽試驗，在實際的工程應用中，管柱被認為是一個有彈性支撐的剛性結(jié)構(gòu)，結(jié)合切片理論可將計算模型簡化至二維，可以看作是一個質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)，如圖中所示



圓柱渦激振動示意圖

計算參數(shù)如下表所示

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二、采用Designmodeler進行幾何模型建立

Workbench中導入Fluid Flow

右擊Geometry，選擇designmodeler

詳細幾何建模過程不進行描述

流體計算域模型如圖所示，模型使用的計算域為30D×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域?qū)挾鹊谋戎?，本文阻塞率?.05，不超過0.05，故滿足要求。采用“剛性運動區(qū)域+動網(wǎng)格區(qū)域+靜止網(wǎng)格區(qū)域”多區(qū)域劃分的方法來建立圓截面渦激振動流場區(qū)域，整體流場分為外流域部分和內(nèi)流域部分。

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

?

三、采用Meshing進行網(wǎng)格劃分

Workbench中導入Fluid Flow

雙擊Meshing，詳細網(wǎng)格劃分步驟在這里不介紹了

整體流場在進行網(wǎng)格劃分時，采用“剛性運動區(qū)域+動網(wǎng)格區(qū)域+靜止網(wǎng)格區(qū)域”的 方法來建立圓截面渦激振動網(wǎng)格劃分區(qū)域，如圖中所示，具體劃分區(qū)域如下：

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(1) 動網(wǎng)格區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，F(xiàn)luent動態(tài)網(wǎng)格模型算法采用Smoothing+Remeshing的方式更新動網(wǎng)格，此區(qū)域為變形區(qū)，為圓柱的振動提供了一個運動的空間，其網(wǎng)格會因圓柱的運動而進行重新劃分，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，但可通過參數(shù)設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， 考慮到文獻實驗中的最大振幅為1.5D左右，因此動網(wǎng)格區(qū)域尺寸取為6D×6D，留有充足的空間允許圓柱進行大范圍的的振動，能夠很好地滿足數(shù)值計算的需要(避免振幅超過容許空間從而擠壓外邊界形成負網(wǎng)格)；

(2)剛性運動區(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，使在主要流速下預估的Y+=1，邊界層第一層高度可按經(jīng)驗公式計算，近壁面劃分15層四邊形結(jié)構(gòu)化邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格增加率設置為1.2，向外過渡至與動網(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動速度，因此將隨著圓截面的振動而振動，由此來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)從而確保各時間步都具有足夠的計算精度。

(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算精度。

四、Fluent 基本設置

步驟一：啟動fluent

Workbench中導入Fluid Flow

雙擊Setup，不考慮運行計算的話，默認即可

步驟二：General 設置

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

對面板進行參數(shù)設置 Scale…

點擊scale…

將單位修改為與幾何建模時尺寸單位保持一致

點擊close

Check

點擊 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



由于渦激振動屬于周期性振動，Time選項設置為transient，進行瞬態(tài)研究 其余保持默認即可

步驟三 Models設置

選擇模型樹節(jié)點 Models ，在右側(cè) Models 列表項中雙擊，彈出湍流模型設置對話框。設置參數(shù)：

選擇 Model 為 k-omega （ 2 eqn ）

選擇k-omega Model 為 SST

選擇OK按鈕關閉對話框

其他保持默認即可

步驟四：Materials設置

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進行設置，彈出材料設置窗口

點擊Fluent Datebase…

下拉菜單至最后，找到材料水（water）

點擊Copy

其余選擇默認，點擊close關閉

步驟五 Cell Zone Conditions

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

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

將material name 選擇為 water-liquid

其余保持默認，點擊close關閉

步驟六：Boundary Conditions

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

1、Inlet 邊界設置

鼠標雙擊 inlet 列表項。設置參數(shù)：

設置 Velocity Magnitude 為 0.09m/s

設置 Specification Method 為 Intensity and Hydraulic Diameter

設置 Turbulent Intensity 為5%

設置Hydraulic Diameter 為 0.0381

選擇OK按鈕關閉對話框

2 、 Outlet 設置

鼠標選中 outlet 項，設置 Type 為 Pressure-outlet，Gauge pressure設置為0，其他參數(shù)保持默認。

步驟七 ：Dynamic Mesh

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

勾選Dynamic Mesh

勾選Smoothing和Remeshing

點擊settings…，選擇 spring

選擇remeshing，點擊default，點擊ok

導入外部UDF文件

點擊菜單欄User-Defined

點擊Functions，選擇第二個Compiled

選擇需要的UDF文件

點擊Build，點擊加載Load

邊界層網(wǎng)格分離

點擊菜單欄Domain

選擇Adapt，點擊Manage…

選擇Cell Registers，點擊New

點擊boundary

選擇Boundary zone 中的fsi

設置number of cells 為相應邊界層網(wǎng)格的層數(shù)

點擊save/display

點擊close關閉

點擊Domain 中的 separate，選擇cell…

選擇boundary_0和part-dongquyu

點擊separate

點擊close關閉

邊界運動或變形的指定

點擊動網(wǎng)格部分的dynamic mesh zones的create

Zone name 選擇為fsi

Type 選擇為剛體運動 Rigid body

UDF選擇導入的fluid：：libudf

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

其余默認，點擊close關閉

步驟八 Reference Values

選擇模型樹節(jié)點 Reference Values，如圖所示

Compute from 選項選擇為 inlet

Area 設置為0.0381

Density設置為998

其余保持默認

步驟九 Solution Methods

此模型保持默認參數(shù)

Step 11 ：Solution Controls

保持默認參數(shù)

步驟十 Monitors

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

點擊report files 中new…

點擊new report file中的new，選擇force report，點擊lift…

Name 可自己命名名字

點擊lift force，選擇fsi

勾選report file和report plot

點擊OK，關閉窗口即可

步驟十一 Initialization

點擊模型樹中的 initialization，出現(xiàn)如圖所示窗口

選擇 Standard Initialization

Compute from 選擇 inlet

點擊 initialize

步驟十二 Calculation activities

雙擊 solution animations，如圖所示

點擊new object

選擇contours…，如圖所示

云圖Contours of 選擇 為velocity

點擊save，出現(xiàn)初始速度云圖

鼠標滾輪調(diào)整到合適窗口，選擇contour2，點擊use active

點擊OK

步驟十三 Run calculation

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

將number of time steps 設置為需要時間步數(shù)

每一個時間步時長 time step size設置為0.01

點擊calculate，進行計算

步驟十四 查看計算結(jié)果

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

審核編輯：劉清