基于非结构化网格和浸入边界的流固耦合数值模拟.docx
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基于非结构化网格和浸入边界的流固耦合数值模拟
万方数据
万方数据
明平剑,等:
基于非结构化网格和浸入边界的流同耦含数值模拟
（a原始浸入式边界方法
图l不同网格方法
步的值;甜;和嵋均为上一时间步的速度值;D为
单元体积。
浸入式边界对流体的影响采用vOs法计算。
质量力按下式计算:
Ⅳ一“
‘,:
2i
1,一1,
‘2i
其中”’和矿为速度二次修正值,可通过流体和
浸入刚体边界速度线性插值得到‘11】:
甜,=（1一口甜7+劬?
“
矿=（1一倪/+叫+1
（b非结构化网格浸入式边界方法
图2与浸入边界相交单元的固体体积分数
325
删IⅨ=Pl珀P2IⅨ挖肿2
●_—--—-__l-●-—・_●._——●Ic2一几
●—・———●・———_●_____●■_-_・—●lCl
钾2I鼢2I啪姗俐挖
图3单元内部形成链表示意图
（8
2・2・2计算固体体积分数
其中口是单元体中的固体体积分数（单元中固体
体积与单元总体积的比值,2.2.2小节将详细介绍
它的计算方法。
将材’和’,’代入（5、（6得
~“j一甜
六钳tF
..匕一’,
‘钳‘F（10
压力速度耦合采用sIMPLEc算法,界面流量计算采用Rhie.Chow插值方法㈣。
各变量求解顺序安排见2.2.3。
定义了一个数据结构,形成链表来表示边界,其方向是使得固体区域始终在边界的左手侧。
为了计算每个单元内部固体体积分数,定义了指针型结构数组,在每个单元内形成一个多边形的链表,多边形的边界具有逆时针方向,如图2阴影部分多边形,图3给出了单元ICl和IC2内的链表,图中Q岬表示网格节点,IBP为浸入边界点,IBCP表示浸入边界与网格面交点。
将多边形剖分为一系列三角形计算其面积和,从而确定每个单元内固体体积分数。
下面较详细的介绍多边形的形成。
从图2中完成IBPl操作后,单元IC2内的链表包含节点GNP6.->IBCPl。
完成IBP2后,链表为GNP6一>IBCPl一>IBP2,浸入边界IBP2一IBP3与单元IC2的边界a岬2.GNP3相交于IBCP2。
找到交点后,IC2内链表增加节点IBCP2,同时确定位于
固体区域内的网格节点GNP2。
此时单元IC2的链
万方数据
万方数据
明平剑,等:
基于非结构化网格和浸入边界的流固耦合数值模拟
图7浸入边界前沿示意图RP:
型（13
弛
朋=坠（14
fd
其中‰圆柱运动最大速度,d圆柱直径厂振
荡频率。
圆柱直线振荡可以用简谐振动描述:
x（f=一以sin（2妒（15
其中x（f为圆柱中心位置,以为振荡幅值。
由位移对时间求导可以得到圆柱运动速度327
计算得到的单个周期内阻力系数变化与文献
【14】的结果对比见图8。
图9给出了不同相位角时圆柱周围的涡量分
布与文献【ll】中数值计算结果的对比。
从图中可以
看出本文计算结果与文献中cartesian网格下计算
结果一致,表明本文方法可以很好地模拟振荡圆柱
周围流场。
图lO分别给出了180、210、330三个相位角
情形,不同空问位置的水平和竖直方向速度分布与
文献【14】中实验数据的对比。
从图中可以看出,除
局部位置有些偏差外,计算结果与实验值吻合较
好,如图lO（b右图中,数值计算结果具有较好的
对称性,（乒0,∥0侧与实验值吻合较好,而
下半部分与实验值不一致,原因可能是实验测量引
起的误差。
%（,=—2碱,cos（2妒（163.2阀门动态工作工程模拟
因此最大运动速度和位移满足以下关系:
‰=2彤k（17
计算区域为30出20d。
文献【13】采用了同样的计算域研究了类似问题,坐标原点位于计算区域中心,d=o.olm,流体密度p=1kgm.3,流体动力黏度∥=1.Oe.5Pa・s。
给定RP=loo和xC=5,由此可以得到
‰=0.1m/s,,=2Hz,4=O.007957m
图8R萨100和柏》5时,阻力系数时间历程
阀门是管路系统中重要元件之一,对管路系统有较重要的影响,如文献[15】利用商业软件Fluent研究了阀门的流场特性。
本文对二维管道内的阀门动态工作过程进行模拟,各管段长度如图ll所示,其中桔0.2m,阀门为椭圆形,长短轴长分别为0.75Jjl和O.25厅,长轴方向与水平方向夹角为450。
进口流速为0.03111/s,|jI:
O.2m。
先对阀门静止时进行了模拟。
图12给出了阀门后的瞬时涡量分布图,横纵坐标分别为舶和m。
图13给出了阀门周围速度矢量分布和固体体积分数分布。
从图中可以看到,利用本文方法可以计算出阀门的流动特征,尽管由于阀门绕流在管道内形成了非常复杂流动。
图14给出了阀门由图11所示位置顺时针转过90度角的动态过程。
从图中可以明显地看到阀门引起的漩涡脱落过程,表明本文方法可以较好的模拟
复杂结构运动的流固耦合问题。
万方数据
328水动力学研究与进展A辑20lO年第3期
1.0
0.6
o.2逞
h吨2吨6
—1.O图9一个周期中不同相位角时的涡最值与文献中计算结果对比（左为文献【l】的结果,右为本文计算结果
—o.015_0.0l—o.∞5On0∞o.Ol0.015
u7r—
1.O
n6
o.2
8
\
h吨2
吨6
一1.0
（计算值
计算值
计剪值
（计算值
（试验值
试验值
试验值
（试验值
—o.015—o.01—0.0050o-∞5o.Olo.015
r/I・s-I
∞相位角l∞。
明平剑,等:
基于非结构化网格和浸入边界的流固耦合数值模拟
L0
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、吨2吨6
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吨015吨01吨∞6Oo.0惦nOlo.015吨015吨01吨O畸O0.∞5nOlo.015Ⅱ血・s-1.,/I・s-l
Cb相位角2lO。
1.O
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（c相位角瑚。
图lO不同相位角时计算的速度场与文献中实验值得对比图11阀门结构示意图
图12阀门静止时计算涡量分布
图13阀门周围速度矢量和固体体积分数分布
4结论
329
本文提出了一种基于SIMPLE类算法的模拟流固耦合作用的数值方法,空间采用非结构化网格有限体积方法离散,时间项采用欧拉隐式格式,通过浸入边界方法和固体体积法（VolumeofSolid考虑流体作用在固体上的作用力,给出了非结构化网
格上流体体积分数计算方法。
该方法可以很方便地
330水动力学研究与进展A辑2010年第3期
（a￡吼5s（d￡_2.Os
（b￡=1.Os
（e￡=2.5s
（c￡=1.5s
（ff:
3.Os
∞￡刮.Os
图14阀门动态T作过程中的涡量分布图
添加到已有的有限体积方法的cFD求解器。
为了验证方法的正确性,本文对于振荡例球绕流做了模拟,所得圆柱表面阻力系数随时问变化也与文献中实验数据吻合较好,不同相位角时的涡量分布与文献中数值计算结果一致,不同相位角和不同位黄的水平方向和竖直方向速度分布与文献中实验数据也吻合较好,表明了本文方法的合理性和正确性。
此外本文还对阀门的工作进程进行了模拟,进~步验证了本文方法的适用性。
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基于非结构化网格和浸入边界的流固耦合数值模拟
作者:
明平剑,张文平,卢熙群,朱明刚,MINGPing-jian,ZHANGWen-ping,LUXi-qun,ZHUMing-gang
作者单位:
哈尔滨工程大学动力与能源工程学院,哈尔滨,150001
刊名:
水动力学研究与进展A辑
英文刊名:
CHINESEJOURNALOFHYDRODYNAMICS
年,卷（期:
2010,25（3
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