浅析基于Fluent的二自由度圆柱涡激振动数值模拟与应用

  一、案例描述

本案例源自美国康奈尔大学经典圆柱水槽试验，在实际的工程应用中，管柱被认为是一个有弹性支撑的刚性结构，结合切片理论可将计算模型简化至二维，可以看作是一个质量弹簧阻尼系统，如图中所示



圆柱涡激振动示意图

计算参数如下表所示

 

二、采用Designmodeler进行几何模型建立

Workbench中导入Fluid Flow

右击Geometry，选择designmodeler 

详细几何建模过程不进行描述

流体计算域模型如图所示，模型使用的计算域为30D×20D矩形区域。入口边界距离圆柱中心10D处，出口边界距离圆柱中心20D处，上部边界和下部位于距圆柱体中心10D处，并被定义为对称边界。

其中圆柱位于入口下游10D处，位于横流方向的中心线（y=0）。阻塞率为圆柱直径与流场域宽度的比值，本文阻塞率为0.05，不超过0.05，故满足要求。采用“刚性运动区域+动网格区域+静止网格区域”多区域划分的方法来建立圆截面涡激振动流场区域，整体流场分为外流域部分和内流域部分。

注：为保证流场在内外流域交界地方一致性，选中内外流域，鼠标右击from a part，可保证后续画网格时具有网格一致性。

 

三、采用Meshing进行网格划分

Workbench中导入Fluid Flow

双击Meshing，详细网格划分步骤在这里不介绍了 

整体流场在进行网格划分时，采用“刚性运动区域+动网格区域+静止网格区域”的 方法来建立圆截面涡激振动网格划分区域，如图中所示，具体划分区域如下：

 

(1) 动网格区域采用非结构化三角形网格进行网格划分，Fluent动态网格模型算法采用Smoothing+Remeshing的方式更新动网格，此区域为变形区，为圆柱的振动提供了一个运动的空间，其网格会因圆柱的运动而进行重新划分，因此网格的初始质量好但随着重新划分可能有所下降，但可通过参数设置使重新划分后的网格质量尽可能好。

此区域的大小由圆柱的振幅大小决定， 考虑到文献实验中的最大振幅为1.5D左右，因此动网格区域尺寸取为6D×6D，留有充足的空间允许圆柱进行大范围的的振动，能够很好地满足数值计算的需要(避免振幅超过容许空间从而挤压外边界形成负网格)；

(2)刚性运动区域主要包括圆柱流固耦合边界与边界层区域，圆柱近壁面边界层网格采用膨胀层网格处理，使在主要流速下预估的Y+=1，边界层第一层高度可按经验公式计算，近壁面划分15层四边形结构化边界层网格，网格增加率设置为1.2，向外过渡至与动网格的交界处。

边界层区域网格尺寸较小、网格划分质量较好并具有与圆截面相同的运动速度，因此将随着圆截面的振动而振动，由此来保证圆截面附近的网格一直处于初始的高质量状态从而确保各时间步都具有足够的计算精度。 

(3) 静止网格区域采用四边形结构化网格，整体网格尺寸网格尺寸保持不变，用以为模拟尾流中的涡街提供更好的计算精度。

四、Fluent 基本设置

步骤一：启动fluent

Workbench中导入Fluid Flow

双击Setup，不考虑运行计算的话，默认即可

步骤二：General 设置

点击左侧模型树节点 General ，出现 General 面板，如图所示。

对面板进行参数设置  Scale…

点击scale…

将单位修改为与几何建模时尺寸单位保持一致

点击close

Check

点击 Check 按钮，屏幕输出网格信息如图所示，确保网格最小体积为正值



Time



由于涡激振动属于周期性振动，Time选项设置为transient，进行瞬态研究 其余保持默认即可

步骤三 Models设置

选择模型树节点 Models ，在右侧 Models 列表项中双击，弹出湍流模型设置对话框。设置参数：

选择 Model 为 k-omega （ 2 eqn ）

选择k-omega Model 为 SST

选择OK按钮关闭对话框

其他保持默认即可

步骤四：Materials设置

选择模型树Materials，分为流体材料fluid和固体材料solid，双击材料空气air进行设置，弹出材料设置窗口

点击Fluent Datebase…

下拉菜单至最后，找到材料水（water）

点击Copy

其余选择默认，点击close关闭

步骤五 Cell Zone Conditions

选择模型树Cell Zone Conditions，双击弹出区域设置窗口，如图所示

分别选择part-dongquyu和solid-part-jignzhiyu，将属性设置为流体

将material name 选择为 water-liquid

其余保持默认，点击close关闭

步骤六：Boundary Conditions

点击模型树节点 Boundary Conditions ，参数面板如图所示。

1、Inlet 边界设置

鼠标双击 inlet 列表项。设置参数：

设置 Velocity Magnitude 为 0.09m/s

设置 Specification Method 为 Intensity and Hydraulic Diameter

设置 Turbulent Intensity 为5%

设置Hydraulic Diameter 为 0.0381

选择OK按钮关闭对话框

 2 、 Outlet 设置

鼠标选中 outlet 项，设置 Type 为 Pressure-outlet，Gauge pressure设置为0，其他参数保持默认。

步骤七 ：Dynamic Mesh

点击模型树节点 Dynamic Mesh ，参数面板如图所示。

勾选Dynamic Mesh

勾选Smoothing和Remeshing

点击settings…，选择 spring

选择remeshing，点击default，点击ok

导入外部UDF文件

点击菜单栏User-Defined

点击Functions，选择第二个Compiled

选择需要的UDF文件

点击Build，点击加载Load

边界层网格分离

点击菜单栏Domain

选择Adapt，点击Manage…

选择Cell Registers，点击New

点击boundary

选择Boundary zone 中的fsi

设置number of cells 为相应边界层网格的层数

点击save/display

点击close关闭

点击Domain 中的 separate，选择cell…

选择boundary_0和part-dongquyu

点击separate

点击close关闭

边界运动或变形的指定

点击动网格部分的dynamic mesh zones的create

Zone name 选择为fsi

Type 选择为刚体运动 Rigid body

UDF选择导入的fluid：：libudf

将分离出的边界层网格part-dongquyu:013进行相同的操作

其余默认，点击close关闭

步骤八 Reference Values

选择模型树节点 Reference Values，如图所示

Compute from 选项选择为 inlet

Area 设置为0.0381

Density设置为998

其余保持默认

步骤九  Solution Methods

此模型保持默认参数

Step 11 ：Solution Controls

保持默认参数

步骤十 Monitors

选择模型树节点 Monitors，如图所示，选择Report Files，鼠标右键，点击edit‘’

点击report files 中new…

点击new report file中的new，选择force report，点击lift…

Name 可自己命名名字

点击lift force，选择fsi

勾选report file和report plot

点击OK，关闭窗口即可

步骤十一 Initialization

点击模型树中的 initialization，出现如图所示窗口

选择 Standard Initialization

Compute from 选择 inlet

点击 initialize

步骤十二 Calculation activities

双击 solution animations，如图所示

点击new object

选择contours…，如图所示

云图Contours of 选择 为velocity

点击save，出现初始速度云图

鼠标滚轮调整到合适窗口，选择contour2，点击use active

点击OK

步骤十三 Run calculation

点击左侧模型树节点Run calculation ，出现 Run calculation 面板，如图所示。

将number of time steps 设置为需要时间步数

每一个时间步时长 time step size设置为0.01

点击calculate，进行计算

步骤十四  查看计算结果

点击模型树Results，可查看残差曲线、各种云图（速度、压力等），速度矢量图、动画等

审核编辑：刘清