CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合

蓝图技术网 2023-01-14 06:53:21 59阅读 0评论

 

 

背景介绍

最初的流固耦合FSI(Fluid-Solid Interaction)专指研究流体载荷对弹性结构的影响,例如飞机机翼气动弹性问题,船舶螺旋桨的水弹性问题,核反应堆燃料棒的涡激振动问题等等。在数值仿真领域FSI概念扩展到一般性的CFD模型和FEA模型的数据交换问题。

 

FSI真实案例:大桥与风场组成了耦合系统,大风产生了一定频率的卡门涡脱落,这个频率与耦合系统中的结构固有频率相近,使系统发生了共振,大桥剧烈晃动直至崩塌。

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第1张

大桥剧烈晃动直至崩塌

 

 

HyperWorks的流体求解器AcuSolve流固耦合分析分为四种情况: 

 

  • 分析稳态的流场压力和温度场对固体变形的影响,也叫 TFSI (Thermal-FSI)属于单向耦合; 

  • 分析流体动载荷引起的固体振动现象,也叫P-FSI (Practical FSI),属于单向耦合;

  • 瞬态流动引起固体大变形,并反馈给流场,也叫DC-FSI (Direct Coupling FSI),属于双向耦合。

  • 固体本身的变形量很小,可以认为是刚体,但是整体产生比较大的位移,可以采用CFD耦合MBD多体动力学分析,也属于双向耦合。

以上几种分析都可以在SimLab模块中完成,流固交界面的耦合数据在后台传递,无需用户编辑脚本。

 

TFSI模型的计算代价最小,通常用于流体静载荷或温度梯度引起的固体小变形,例如汽车排气管的热应力,发动机水套的热应力,车灯的热应力等等场景。

 

 

排气歧管的TFSI分析案例

 

AcuSolve模型的管路入口为高温高压气体,管路出口为大气压和环境温度,管路外壁面是自然对流散热边界。AcuSolve结果传递给求解器OptiStruct再分析管路的热应力和变形。

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第2张
CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第3张

AcuSolve模型的边界

 

OptiStruct模型的约束

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第4张

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第5张

 

AcuSolve分析温度场

 

 

OptiStruct分析变形量

SimLab发动机壳体的TFSI分析案例

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第6张

 

P-FSI计算代价中等。首先进行OptiStruct的模态分析,将模态频率和振型(*op2文件)传递给AcuSolve,模态向量从固体网格映射到流体网格的湿表面上。接着打开ALE动网格开关,Moving Mesh → Computed求解湿表面的变形。需要注意的是:P-FSI固体变形必须在线性范围内,无法考察固体内的真实应力,但是可以评估结构的疲劳水平。

 

 

P-FSI案例

 

海洋工程上采用的圆柱形断面结构物,在洋流冲刷下产生周期性脱落的旋涡,由此产生脉动压力,引发结构的周期性振动,这种规律性的管体振动反过来又会改变旋涡的频率。如果卡门涡频率和结构模态吻合,振幅会达到最大。这种现象也称为“涡激振动”(Vortex-Induced Vibration :VIV)

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第7张

安装了扰流片的海工结构

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第8张

AcuSolve的ALE动网格

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第9张
CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第10张

圆形截面管振动幅度较大

安装扰流片改变了卡门涡频率,从而减少了结构振幅

 

 

射流主动控制技术

 

除了安装扰流片,也可以在结构的表面安装射流装置,同样可以改变卡门涡的频率,从而破坏VIV的“吻合”效应。

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第11张

圆柱绕流的卡门涡

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第12张

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第13张
CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第14张

无射流控制

有射流控制

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第15张

流体侧向力的时间历程曲线

无射流控制(蓝色),有射流控制(红色)

 

大型的结构或建筑也要考虑风载荷的激励。一方面改变风涡脱落频率,或者通过安装加强筋,配重等手段改变结构的固有频率,避免严重的VIV现象。

 

案例:风力发电机的叶片在强风下产生显著变形,不仅会改变叶片的空气动力学性能,如果翼尖变形量过大,甚至会影响塔架安全。

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第16张

风力发电机风洞试验

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第17张
CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第18张

OptiStruct分析叶片的振动形式:摆振和扭转

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第19张

2叶片风力机的外流场和翼尖的变形曲线

 

案例:100米长风力机叶片的P-FSI分析

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第20张

OptiStruct叶片模态分析

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第21张

AcuSolve计算叶片外流场

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第22张

AcuSolve计算叶片的变形

 

 

案例:大型天线的风载荷分析(静载荷和风振)

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第23张
CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第24张

大型天线的风振FSI分析

 

 

案例:路牌的风振分析

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第25张

 

案例:赛车尾翼的风振分析

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第26张
CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第27张

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第28张

 

除了VIV, 还有一类现象,叫做VIM (Vortex Induced Motion),分析刚体在流体载荷下的运动规律。

 

 

VIM案例:复杂的圆柱绕流问题

 

AcuSolve输出流体载荷,更新固体的位移,MotionSolve 接受流体载荷并求解固体速度/加速度/位移。

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第29张

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第30张

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第31张

 

 

VIM案例:AcuSolve模拟水池晃动,耦合连杆机构运动

 

MotionSolve的湿表面必须是刚体,其余部分可以是柔性体,分析结构应力应变。

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第32张

 

 

VIM案例:海工结构在洋流下的运动

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第33张

 

 

DC-FSI同时计算 AcuSolve 和 OptiStruct 模型,在相同的时间步交换数据,计算代价最大。可以考虑固体的大变形和材料非线性,并评估固体变形的真实应力。

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第34张
CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第35张

DC-FSI原理图

 

 

 

隔膜阀DC-FSI分析案例

 

隔膜阀置于轴向流道,隔膜材料能承受较大变形, 在大流量下隔膜产生形变,逐步减小过流面积,起到自动节流的效果。

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第36张

隔膜阀的瞬态流场

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第37张

隔膜阀的Von Mises 应力

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第38张

隔膜阀中心点位移

 

 

DC-FSI分析案例:海浪冲击载荷评估

 

 

DC-FSI分析案例:油箱防浪板的冲击变形

 

 

 总 结 

  • 首先用户判断FSI问题属于哪一类,采取合理假设,降低计算代价。

     

  • 流固交界面的网格不要求节点一一匹配,但是如果流体侧和固体侧的网格尺寸差太多,可能会造成数据映射的误差。

     

  • P-FSI和DC-FSI的流体都要求是瞬态计算,估算时间步长,既要满足振动最高频率的要求,还要满足一个时间步内网格变形量不能过大(否则造成CFD网格负体积而发散)。

     

  • 避免在一个时间步内传递很大的力给OptiStruct,或反之,在一个时间步内传递很大的位移给AcuSolve。可以通过增加一个Multiplier的方法分步加载,提高FSI耦合计算的收敛稳定性。

     

  • HyperWorks的FSI计算可以跨平台,比如把AcuSolve计算放在Linux的集群上,而OptiStruct的计算放在Windows的台式机,通过TCP端口进行网络通讯。

 

 

关于 Altair 澳汰尔

 

Altair(纳斯达克股票代码:ALTR)是计算科学和人工智能(AI)领域的全球领导者之一,在仿真、高性能计算 (HPC) 和人工智能等领域提供软件和云解决方案。Altair 能使跨越广泛行业的企业们在连接的世界中更高效地竞争,并创造更可持续的未来。

 

公司总部位于美国密歇根州,服务于13000多家全球企业,应用行业包括汽车、消费电子、航空航天、能源、机车车辆、造船、国防军工、金融、零售等。

 

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合 第39张

 

版权申明:我们采用的作品包括内容和图片全部来源于网络用户和读者投稿,我们不确定投稿用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的权利,请联系我站将及时删除!

发表评论

快捷回复: 表情:
验证码
评论列表 (暂无评论,59人围观)

还没有评论,来说两句吧...