【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及流固耦合数值模拟的，特别涉及一种基于高保真谱单元方法的双管悬浮隧道涡激运动数值计算方法。
技术介绍
1、作为一种经典的流固耦合(fluid structure interaction，fsi)现象，涡激运动(vortex induced motion，vim)是指由周期性脱落漩涡引发的结构运动。在某些条件下，流过钝体(例如圆柱体)的流体可能导致下游涡流交替脱落，即卡门涡街，交替脱落的尾涡会在物体上产生周期性的流体力，从而导致横向于流动的运动。结构的运动会改变尾流的流动模式，而这又进一步改变了结构物受到的流体力。当旋涡脱落的频率接近结构的固有频率时，在共振的影响下，结构物的振幅大幅增加，这种现象也被称为锁定现象。研究表明，涡激运动时海洋工程结构物疲劳失效的主要原因之一。
2、近年来，随着计算机硬件性能的不断提升和数值仿真技术的快速发展，利用数值模拟的方法解决实际工程问题受到了广泛关注。此前，国内外学者已对不同的流固耦合问题，开展了大量的数值研究。现有数值技术的精度有限，实验方法的成本较高。
3、需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种双管悬浮隧道的涡激运动数值模拟方法，通过高精度预报隧道在流体作用下的涡激运动响应，从而为悬浮隧道的设计改进和性能提升提供关键支持。
2、为实现上述目的，本专利技术采用以下技术
3、一种双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法，包括如下步骤：
4、步骤1：创建双管悬浮隧道结构的三维几何模型，所述双管悬浮隧道的上游为自由来流区域，下游为发生旋涡脱落的尾迹区域；
5、步骤2：对计算域进行网格划分，并对悬浮隧道的径向网格和尾流区网格进行加密处理；
6、步骤3：利用计算流体动力学cfd的方法，通过求解非定常不可压缩的纳维-斯托克斯n-s方程，对悬浮隧道周围的流场进行模拟，得到计算流体动力学模型；
7、步骤4：建立双管悬浮隧道涡激运动的结构动力学模型，悬浮隧道之间刚性连接，将结构动力学模型与计算流体力学动力学模型进行耦合；确定初始条件和边界条件，对计算参数进行初始化，开展数值模拟；将通过cfd模型计算得到的压力项和粘性应力项沿结构表面进行积分得到悬浮隧道受到的流体力，并将得到的流体力带入所述结构动力学模型中；
8、步骤5：利用纽马克-贝塔方法求解所述结构动力学模型，得到悬浮隧道运动的位移、速度和加速度信息；判断是否达到终止时间，若未达到终止时间，则更新坐标映射信息，并重复步骤3-5进行下一时间步的求解；
9、步骤6：当模拟达到终止时间后，对计算数据进行后处理，提取悬浮隧道的位移、速度、加速度响应以及所受到的流体力。
10、进一步地：
11、步骤1创建的三维几何模型中，外流场计算域的入口边界与悬浮隧道中心之间的距离大于或等于20倍隧道柱体直径，外流场计算域的出口边界与悬浮隧道中心的距离大于或等于20倍隧道柱体直径，外流场计算域的出口与悬浮隧道中心的距离大于或等于40倍隧道柱体直径，展向长度与隧道柱体直径之比根据实际需要模拟的悬浮隧道涡激运动情况来确定。
12、外流场计算域的入口边界距离悬浮隧道中心20倍隧道柱体直径，外流场计算域的两侧横向边界距离距离悬浮隧道中心20倍隧道柱体直径，外流场计算域的出口边界距离悬浮隧道中心40倍直径，展向长度与隧道柱体直径之比为2π。
13、步骤2中，对计算域进行网格划分时，悬浮隧道表面径向的第一层网格高度满足y+≤1，且还满足耗散尺度的要求。
14、步骤3中，纳维-斯托克斯n-s方程的离散运用谱单元方法，利用基于混合刚性稳定格式的高阶分裂算法将速度场和压力场进行解耦，从而分开求解非线性对流项、压力项和线性扩散项，其中对流项的处理采用显式格式，而压力项和扩散项则采用隐式格式离散。
15、步骤4中，将结构简化为单一的弹簧振子系统，其运动的结构动力学模型为
16、
17、
18、其中，η、和分别为结构的顺流向位移、顺流向速度和顺流向加速度，ζ、和分别为结构的横流向位移、横流向速度和横流向加速度，ωn、ξ、m分别为结构的固有角频率、阻尼比和单位长度质量，fd为结构所受流体作用力在顺流向的分量，即阻力，fl为结构所受流体作用力在横流向的分量，即升力；采用如下边界条件和初始条件：入口边界采用速度入口边界条件，出口边界使用压力出口边界条件，横向边界条件运动自由滑移边界条件，悬浮隧道表面为无滑移边界条件，展向边界条件采用周期性边界条件，悬浮隧道初始处于静止状态。
19、步骤5中，采用的纽马克-贝塔方法将第n步和第n+1步的位移、速度和加速度以如下的方式联系起来：
20、
21、
22、其中，选取适合的积分参数j＝2，α0＝2，α1＝-1/2，β0＝2，β1＝-1，γ0＝3/2。
23、步骤6中，运用q准则对悬浮隧道三维尾涡结构进行识别，各展向截面的泄涡模式采用涡量场表示。
24、步骤6中，还包括基于流场可视化技术，研究悬浮隧道的尾涡结构与各展向截面的泄涡模式。
25、一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器执行时实现所述的双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法。
26、本专利技术具有如下有益效果：
27、本专利技术提供了一种双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法，包括：创建悬浮隧道结构和外流场计算域的几何模型；对悬浮隧道模型计算域进行网格划分；将计算流体动力学模型与结构动力学模型相结合进行流固耦合数值计算，基于弱耦合方法和坐标映射进行流体和结构之间的信息交换；模拟达到终止时间后，对计算数据进行后处理。通过本专利技术的方法获得悬浮隧道的位移、速度、加速度及水动力学特性，能够实现悬浮隧道涡激运动响应的准确预报，为悬浮隧道的分析和设计提供了一种高精度的数值方法。
28、本专利技术实施例在处理悬浮隧道涡激运动的数值模拟方面，与现有技术相比展现出显著的不同和优势。具体而言，本专利技术能够提供悬浮隧道涡激运动响应和力学特性的高精度预测，以及深入的机理分析研究。本专利技术与现有技术相比的优点有：
29、1、工程中，真实悬浮隧道的涡激运动流场具有强烈的三维特性，本专利技术实施例提供的三维数值模拟方法，能够高精度地捕捉结构的运动特性和流场三维特征。
30、2、在对高雷诺数下流固耦合问题的求解，本专利技术实施例的数值模拟方法比大涡模拟方法、雷诺平均方法的精度更高。
31、总之，本专利技术提供的双管悬浮隧道的涡激运动数值模拟方法，能够高精度预报隧道在流体作用下的涡激运动响应，从而为悬浮隧道的设计改进和性能提升提供关键支持。
32、本专利技术实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法，其特征在于，步骤1创建的三维几何模型中，外流场计算域的入口边界与悬浮隧道中心之间的距离大于或等于20倍隧道柱体直径，外流场计算域的出口边界与悬浮隧道中心的距离大于或等于20倍隧道柱体直径，外流场计算域的出口与悬浮隧道中心的距离大于或等于40倍隧道柱体直径，展向长度与隧道柱体直径之比根据实际需要模拟的悬浮隧道涡激运动情况来确定。
3.如权利要求2所述的双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法，其特征在于，外流场计算域的入口边界距离悬浮隧道中心20倍隧道柱体直径，外流场计算域的两侧横向边界距离距离悬浮隧道中心20倍隧道柱体直径，外流场计算域的出口边界距离悬浮隧道中心40倍直径，展向长度与隧道柱体直径之比为2π。
4.如权利要求1至3任一项所述的双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法，其特征在于，步骤2中，对计算域进行网格划分时，悬浮隧道表面径向的第一层网格高度满足y+≤1，且还满足耗散尺度的要求。
5.如权利要求1至4
6.如权利要求1至5任一项所述的双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法，其特征在于，步骤4中，将结构简化为单一的弹簧振子系统，其运动的结构动力学模型为
7.如权利要求1至6任一项所述的双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法，其特征在于，步骤5中，采用的纽马克-贝塔方法将第n步和第n+1步的位移、速度和加速度以如下的方式联系起来：
8.如权利要求1至7任一项所述的双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法，其特征在于，步骤6中，运用Q准则对悬浮隧道三维尾涡结构进行识别，各展向截面的泄涡模式采用涡量场表示。
9.如权利要求1至8任一项所述的双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法，其特征在于，步骤6中，还包括基于流场可视化技术，研究悬浮隧道的尾涡结构与各展向截面的泄涡模式。
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序由处理器执行时实现如权利要求1-9任一项所述的双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法。
...【技术特征摘要】
1.一种双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法，其特征在于，步骤1创建的三维几何模型中，外流场计算域的入口边界与悬浮隧道中心之间的距离大于或等于20倍隧道柱体直径，外流场计算域的出口边界与悬浮隧道中心的距离大于或等于20倍隧道柱体直径，外流场计算域的出口与悬浮隧道中心的距离大于或等于40倍隧道柱体直径，展向长度与隧道柱体直径之比根据实际需要模拟的悬浮隧道涡激运动情况来确定。
3.如权利要求2所述的双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法，其特征在于，外流场计算域的入口边界距离悬浮隧道中心20倍隧道柱体直径，外流场计算域的两侧横向边界距离距离悬浮隧道中心20倍隧道柱体直径，外流场计算域的出口边界距离悬浮隧道中心40倍直径，展向长度与隧道柱体直径之比为2π。
4.如权利要求1至3任一项所述的双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法，其特征在于，步骤2中，对计算域进行网格划分时，悬浮隧道表面径向的第一层网格高度满足y+≤1，且还满足耗散尺度的要求。
5.如权利要求1至4任一项所述的双管悬浮隧道涡激运动的数值模拟方法，其特征在于，步骤3中，纳维-斯托克斯n-...
【专利技术属性】
技术研发人员：王恩浩，余志鹏，徐万海，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。