一种弹性水翼的流固耦合特性数值预测方法

摘要

本发明涉及一种弹性水翼的流固耦合特性数值预测方法，属于叶轮机械模拟技术领域。本方法通过建立二维流域及水翼几何模型，对二维流域网格进行划分，建立计算流体力学模型，再进行初始定常流场数值计算和非定常流场的流固耦合数值计算，然后对计算结果进行后处理，获得流场结构与水翼变形随时间的动态变化过程。本方法充分考虑了附加质量效应对流动的影响，提高了数值计算的稳定性和数值预测结果的可信度；能够实现对绕弹性水翼流动诱导振动现象进行快速、高精度的数值预测，通过计算流体力学软件的二次开发，嵌入流固耦合算法，增强了数值计算方法选择的灵活性。

主权项

一种弹性水翼的流固耦合特性数值预测方法，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤一：建立二维流域及水翼几何模型；将给定的弹性水翼放入流场中，水翼在流体载荷作用下产生弹性变形，同时水翼的弹性变形反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小；沿水翼弦长方向，靠近流场入口一端为水翼前缘，靠近流场出口一端为水翼尾缘，水翼尾缘的下游区域为水翼尾迹区域；对水翼的弹性变形做如下简化：沿水翼展向一端固定，另一端为自由端，忽略水翼沿展向的弹性变形，仅考虑水翼自由端面沿竖直方向的位移和绕水翼中心轴的转动角度；其中，水翼中心轴所在圆心位置定义为水翼截面最大厚度处上下表面的中点；在简化的弹性变形基础上建立二维流域和水翼几何模型：二维流域为将水翼包围起来的长方体区域，长方体区域左端距水翼前缘5倍弦长，长方体区域右端距水翼尾缘10倍弦长，长方体区域上端距水翼最大厚度处上表面0.6倍弦长，长方体区域下端距水翼最大厚度处下表面0.6倍弦长；步骤二：二维流域网格划分；对步骤一建立的二维流域进行网格划分，其中远离水翼表面的流域采用四面体网格，紧贴水翼表面的区域采用六面体网格，并在水翼前缘、尾缘和尾迹区域进行增加网格密度处理；步骤三：建立计算流体力学模型；计算流体力学模型包括流场控制方程和结构场控制方程；流场控制方程包括质量方程和动量方程，分别为：$\frac{\partial \left(\rho \right)}{\partial t}+\frac{\partial \left({\mathrm{\rho u}}_j\right)}{{\partial x}_j}=0---\left(1\right)$$\frac{\partial \left({\mathrm{\rho u}}_j\right)}{\partial t}+\frac{\partial \left({\mathrm{\rho u}}_i{u}_j\right)}{{\partial x}_j}=-\frac{\partial p}{{\partial x}_i}+\frac{\partial }{{\partial x}_j}\left[({\mu }_l+{\mu }_t)(\frac{{\partial u}_i}{{\partial x}_j}+\frac{{\partial u}_j}{{\partial x}_i})\right]---\left(2\right)$式中，ρ为流体的密度，t为时间，u_i、u_j代表流体的速度分量，x_i、x_j代表流体的位置分量，p为流场入口处压强，μ_l和μ_t分别为流体的层流和紊流粘性系数；结构场控制方程为：$\left[M_s\right]\left\{\stackrel{..}{X}\right\}+\left[C_s\right]\left\{\stackrel{.}{X}\right\}+\left[K_s\right]\left\{X\right\}=\left\{F_{\mathrm{EX}}\right\}-\left\{F_{\mathrm{CFD}}\right\}---\left(3\right)$其中，[M_s]，[C_s]，[K_s]分别为水翼结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，{X}、分别为水翼结构的位移、速度和加速度，F_EX是水翼结构的外部激振力，F_CFD为在结构求解器计算出二维流域网格变形后，再通过使用计算流体动力学求解器计算出来的非线性粘性流体表面力；步骤四：进行初始定常流场数值计算；在计算流体动力学求解器中，对计算参数进行初始化：流场入口给定流体来流速度，出口给定平均静压，水翼表面和流场区域边界均给定无滑移、光滑壁面边界条件；基于上述边界条件和初始条件，不考虑流场特性参数随时间的变化，不考虑水翼的弹性变形，利用计算流体动力学求解器进行定常流场数值计算，得到流场区域的速度和压力分布情况；步骤五：进行非定常流场的流固耦合数值计算；以步骤四所述定常流场数值计算结果作为初始条件进行瞬态非定常流场的数值计算；流固耦合数值计算方法为：步骤5.1，在起始步将流固耦合界面作为流场区域的边界进行流场计算，对质量方程和动量方程进行离散求解，计算出流固耦合界面上的流场作用力；步骤5.2，把求得的流场作用力当作流固耦合界面上的载荷，对结构场控制方程进行离散求解，计算水翼的结构变形，得到新的流固耦合界面位置；步骤5.3，根据新的流固耦合界面位置，基于计算流体动力学求解器进行网格自动更新；步骤5.4，不断重复步骤5.1至步骤5.3的计算过程，直至达到预定求解时间或者数值计算结果收敛，得到水翼结构与流场结构的动态变化过程；步骤六：对步骤五的计算结果进行后处理，获得流场结构与水翼变形随时间的动态变化过程。