一种弹性水翼的流固耦合特性数值预测方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于叶轮机械模拟技术 领域。
技术介绍
近年来，随着技术的发展，复合材料的广泛使用使得水力机械具有低振动、低噪 音、轻质高效、耐腐蚀等特点。同时，流场与结构之间存在着流固耦合作用，流道中水体通过 与叶片的相互作用在推动转轮旋转的同时，不稳定的水流会诱发叶片的振动，叶片的振动 也会反过来影响其周围流动的湍流结构。因此，探究绕流物体流固耦合相互作用规律有着 更为实际的工程价值和科学意义。 20世纪80年代以来，随着计算机技术的发展和计算技术的进步，计算流体力学 的发展进一步推动了流固耦合问题的研究。目前，国内外工程界已经可以通过使用相对成 熟的有限元软件对结构在水动载荷下的应力、变形等效应进行精确计算，同时也能通过使 用计算流体动力学软件对结构所受水动载荷进行准确估计。然而，由于在流固耦合问题的 数值求解过程中，一方面，简单的松耦合方法会在弹性结构上产生过大的加速度因而产生 附加质量效应，导致求解不稳定，另一方面，流场和结构场的求解与数据传递过程计算量巨 大，缺乏工程可操作性，因此，对于流固耦合问题，有必要发展和完善适用于工程设计需求 的数值预测方法。 水翼是水力机械结构的基本单元。目前，对绕水翼流动的研究工作大多是基于刚 性物体下进行，对弹性水翼的流场结构及动力特性的研究相对较少，缺乏系统完善的弹性 水翼流固耦合特性的数值预测方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对流固耦合问题中现有技术的不足，提出一种以不可压缩水为 介质的绕弹性水翼流动的流固耦合特性数值预测方法。 本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的： 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 的弹性变形又反过来影响流场，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（即振动变形）和绕水翼中心轴 的转动角度（即旋转变形）；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（长方体宽度为单位长度lmra，忽略沿长方体宽度方向的流场变 化，因此简称作二维流域），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〇· 6倍弦长，长方体区域下端距 水翼最大厚度处下表面〇. 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，以便更好地捕捉非定常流动细节。 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：本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：∂(ρ)∂t+∂(ρuj)∂xj=0---(1)]]>∂(ρuj)∂t+∂(ρuiuj)∂xj=-∂p∂xi+∂∂xj[(μl+μt)(∂ui∂xj+∂uj∂xi)]---(2)]]>式中，ρ为流体的密度，t为时间，ui、uj代表流体的速度分量，xi、xj代表流体的位置分量，p为流场入口处压强，μl和μt分别为流体的层流和紊流粘性系数；结构场控制方程为：[Ms]{X..}+[Cs]{X.}+[Ks]{X}={FEX}-{FCFD}---(3)]]>其中，[Ms]，[Cs]，[Ks]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，FEX是水翼结构的外部激振力，FCFD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。...

【技术特征摘要】
1. 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坚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：(2) 式中，P为流体的密度，t为时间，Ui、+代表流体的速度分量，Xi、\代表流体的位置 分量，p为流场入口处压强，μ i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：(3) 其中，[Ms]，[Cs]，[Ks]分别为水翼结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，{X}、 ji}、分别为水翼结构的位移、速度和加速度，FEX是水翼结...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄彪，吴钦，王国玉，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11