[发明专利]基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法

权利要求书

1.基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、流体域计算：从流体域中取出N个二维流场切片，求解流体控制方程，输出流体作用力；

步骤B、立管计算：将立管划分为n个空间梁单元，n≥N，每个空间梁单元记为立管单元，求解立管的结构动力学方程，并输出所有立管单元的位移、速度和加速度；

步骤C、立管和流体域耦合：将流体作用力近似为均布荷载施加给相邻的立管单元，基于立管单元节点处的位移，速度和加速度，并结合动网格设置更新流场域，实现流体域和立管的耦合；

步骤D、对每一时间步进行计算，并得到横流向和顺流向两个方向上立管振动位移随时间的变化图；通过傅里叶变换，得到立管的振动频率，实现对立管的振动特性分析。

2.根据权利要求1所述的基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法，其特征在于：所述步骤A中，计算流体作用力采用以下方式：

(1)流场数值计算：选择流场数值计算软件，选择湍流模型和离散方法，设置流体性质、设置动网格，选取需输出的数据和数值求解方法；

(2)流体控制方程：采用雷诺平均数值模拟方法，即用雷诺平均N-S方程代替N-S方程描述流体流动，采用剪切压力传输k-ω湍流模型构建流体控制方程；

(3)Fluent软件求解流场：从流体域中取出N个二维流场切片，通过FLUENT同时进行流体控制方程的求解，输出流体作用力，包括阻力和升力。

3.根据权利要求1所述的基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法，其特征在于：所述步骤B具体通过以下方式实现：

(1)沿立管延长度L方向划分m个节点，n＝m-1，m≥N，以顺流向为x轴，横流向为y轴，立管长度方向为z轴，构建结构动力学方程；

(2)通过有限元法在时域内离散结构动力学方程，得到：

式中，[M]是质量矩阵；[C]是阻尼矩阵；[K_E]是弹性刚度矩阵，[K_G]是几何刚度矩阵，两者构成刚度矩阵[K]；{F_i(t)}是x，y方向所受的荷载向量；

(3)求解该结构动力学方程，得到每个立管单元的加速度、速度、位移。

4.根据权利要求3所述的基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法，其特征在于：所述步骤B中，所述立管单元的数量至少为振动模态的3倍。