弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析:流体作用下的探索

湿模态的概念 通常我们所说的结构模态,都是在真空中的结构模态,不考虑周围流体的影响下的模态,这种模态可以称为“干模态”,即不受流体影响的模态。 而实际中,我们通常计算的结构都是被流体“包围”着,例如在空气中行驶的汽车,周围被空气包围着,在水中行驶的船,周围被水包围着,或者部分被水包围着。 在不考虑车身周围的空气的影响下,我们计算的车身模态都是干模态,因为空气的密度比较小,空气对车身模态的影响比较小,我们可以把车身的干模态当成车身在空气中的湿模态,即忽略空气的影响,误差也不会太大。 而在水中行驶的船,由于水的密度比较大,水对结构模态的影响比较大,如果忽略水的影响,那么计算出来的模态(干模态)就与实际的船的模态误差就很大,此时就必须考虑水的影响,计算湿模态。


湿模态分析实际上是在单向流固耦合计算基础上进行的预应力模态分析。本文以流体作用下弯曲管道为例,首先利用ANSYS Fluent及ANSYS静力分析模块对其进行单向流固耦合计算,然后在此基础上开展弯曲管道在流体作用下振动模态分析。


单向流固耦合计算

工业管道系统中经常出现弯管。流体介质流经弯曲管道时,管壁承受流体赋予的压力,不均匀的压力分布会对管道产生额外的应力。



1 计算思路

众所周知,CFD计算的目的是为了获取计算空间中的压力、速度、温度等物理量分布,而结构有限元计算的目的是为了获取结构件上应力、应变和位移等物理物理量。单向流固耦合计算的基本思路为:利用CFD软件计算壁面上压力分布,并将压力值作为载荷加载到固体构件上,利用有限元软件计算固体应力应变。


单向流固耦合计算的数据流程如图1所示。

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图1
图1 数据流程



2 计算模型

计算几何模型如图所示。

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图2
图2 计算几何模型

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图3
图3 DM中创建的几何模型(既包含流体,也包含固体)



3 流体计算设置

双击B3单元格进行流体网格划分。在mesh中进行边界命名,如图4所示。采用扫描方式进行网格划分,采用网格尺寸为5mm,生成的流体计算网格如图5所示。

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图4
图4 边界命名

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图5
图5 流体计算网格


返回至FLUENT中进行流体计算设置。

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图6
图6 采用压力基求解器

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图7
图7 采用Realizable k-e湍流模型

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图8
图8 选择water-liquid为工作介质

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图9
图9 设置计算域中材料介质为water-liquid

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图10
图10 设置入口速度2m/s

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图11
图11 设置出口类型为outflow

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图12
图12 初始化设置

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图13
图13 设置迭代200步求解计算

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图14
图14 壁面压力分布

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图15
图15 切面上速度分布



4 固体计算设置

返回至工程面板,双击C3单元格进入固体网格设置模块。


网格划分过程此处不详述,需要注意的是,尽量保证固体网格与流体网格尺寸相当。生成网格如图16所示。

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图16
图16 固体计算网格

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图17
图17 插入压力

按几何对应关系插入流体压力。


设置管道两头为固定约束,如图18所示,进行求解计算。

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图18
图18 约束定义

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图19
图19 应力分布



模态分析

湿模态分析实际上是在单向流固耦合计算基础上进行的预应力模态分析。下面来介绍一下弯曲管道在流体作用下振动模态分析。


1 干模态计算

先考虑干模态分析(不考虑流体在管道中的流动)。计算流场如图20所示。去掉以上流体计算,只利用固体计算网格。

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图20

图20 模态计算


双击C5单元格进入模态分析模块。点击Modal节点下Analysis Settings子节点,在下方的属性栏设置框中设置Max Models to Find为6,寻找模型的6阶模态。如图21所示。

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图21
图21 设置模态阶数


计算得到各阶频率如图22所示。

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析的图22

图22 各阶频率

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