[发明专利]采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法

说明书

本发明提出了仿真领域内的一种采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法，首先建立双柱体结构二维流域和几何模型，并划分流场计算网格；接着利用嵌套网格技术将结构域网格和流场域网格进行插值，形成流场计算网格；建立NES作用下的双柱体结构动力学模型，并与计算流体力学模型结合，进行柱体流固耦合数值计算；最后进行后处理，得到NES作用下双柱体结构流激振动特性和NES对双柱体结构流激振动的抑制效果；本方法基于计算流体力学方法实现双柱体结构流激振动动力学建模，运用嵌套网格技术实现柱体流体计算和结构动力学计算的耦合，建立起的二维双自由度串列双柱体流激振动仿真模型具有一定的准确性。

技术领域

本发明涉及一种流固耦合预测方法，特别涉及一种采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法，属于计算流体力学数值仿真领域。

背景技术

当流体流经非线性结构时，结构两侧尾迹中会交替产生周期性的旋涡脱落现象，从而对结构横向产生周期性变化的流体力，而弹性结构也会因此产生横向的振动，这种现象就是涡激振动(VIV)。当结构涡脱频率接近结构固有频率时，就会发生“频率”锁定现象。“频率”锁定发生时，结构横向上将产生大幅度的振动，造成对结构的破坏。涡激振动广泛存在于风工程中的风力机塔筒、桥梁结构、高层建筑物和海洋工程中的海洋立管、平台立柱等柱状结构中。若结构长期处于频率锁定状态，将大大减少结构的疲劳寿命。

当结构在尾流作用下，引起的振动就是尾流激振。不同于典型的单柱体涡激振动，在尾流作用下引起的柱体流激振动其振动机理更加复杂。尾流激振引起的柱体结构最大振幅通常会超过典型涡激振动所能引起的最大振幅，更加威胁柱体结构的安全。圆柱的涡激振动是强迫振动和自激振动的结合，具有自限制特性；但在尾流作用下，圆柱会产生驰振。驰振具有大振幅的特点，且驰振时振动振幅随着折减风速的增大而不断增大。同时，尾流作用下的流激振动受到周期性的疲劳应力，所产生的横向大振幅振动将导致疲劳损伤，在高风速下甚至会产生结构破坏问题。

为了减弱流激振动对高耸柱体结构疲劳寿命的影响，通常采用外加控制柱、螺旋列版等扰流装置改变结构旋涡脱落情况。但这些扰流装置往往会使阻力增大，并且还会引发其他形式的振动。此外，也可在柱体结构中安装阻尼器以减弱柱体振动，但在尾流作用下产生的涡激振动往往振动频率变化范围较大，而调频质量阻尼器、调频液体阻尼器等常规阻尼器往往频带较窄，吸振范围较小，不适用于减小尾激振动。非线性能量阱(NES)是能实现定向能量传递的具有立方非线性的吸振器。非线性能量阱通过与柱体共振，将来自柱体系统的振动能量定向传递到吸振器的振子上，并通过阻尼消耗能量，从而达到减小尾激振动横向振幅的目的。它不仅具有宽频吸振特性，而且该装置内置于柱体内部，不改变柱体的形状，不会增大流向振动，属于被动控制减振装置。本发明采用非线性能量阱来抑制柱体尾流致涡激振动，因此提出了一种采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法，完成预测双柱体结构流激振动在非线性能量阱作用下的振动响应，方便研究柱体减振。

本发明的目的是这样实现的：一种采用非线性能量阱抑制双柱体结构流激振动的流固耦合预测方法，包括以下步骤：

步骤一：忽略结构轴向上的变形，将三维结构简化为二维平面上的几何模型，将振动模型简化为弹簧-阻尼-质量块模型，柱体内的NES也简化为质量块、横向上的阻尼器和立方非线性弹簧，完成串列双柱体结构的几何建模；再根据两个柱体所在位置，建立二维流域模型；二维流域为将两个串列柱体结构包围住的长方形；

步骤二：分别对结构域和流场域进行有限元网格划分；应用嵌套网格技术分别对柱体边界和流场进行结构网格划分，然后将两套网格重叠部分进行插值，将背景区域的边界单元变量信息插值到嵌套区域的边界单元，完成流场计算网格；步骤四中应用嵌套网格技术更新流场网格，移动后的组分网格重新与流场域网格插值，形成新的流场计算网格；