海上风力发电塔架风涡激振动及疲劳分析

分类号UDC密级编号工学硕士学位论文海上风力发电塔架风涡激振动及疲劳分析硕士研究生李健指导教师王晓天教授学位级别工学硕士学科、专业船舶与海洋结构物设计制造所在单位船舶工程学院论文提交日期2011年1月论文答辩日期2011年3月学位授予单位哈尔滨工程大学CLASSIFIEDINDEXUDC|J|JIJ川IJJI|J|IFJY2054173ADISSERTATIONFORTHEDEGREEOFMENGWINDVORTEXINDUCEDVIBRATIONANDFATIGUEANALYSISOFOFFSHOREWINDPOWERSTRUCTURECANDIDATELIJIANSUPERVISORPROF,WANGXIAOTIANACADEMICDEGREEAPPLIEDFORMASTEROFENGINEERINGSPECIALITYDESIGNANDCONSTRUCTIONOFNAVALARCHITECTUREANDOCEANSTRUCTUREDATEOFSUBMISSIONJANUARY201LDATEOFORALEXAMINATIONMARCH，201LUNIVERSITYHARBINENGINEERINGUNIVERSITY气，。丫、R，哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公丌发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签字同期矗O7，哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明名履年月，同，本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作，的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。FP本论文双梦授予学位后即可口在授予学位12个月后口解密后出哈尔滨工，程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者签字名么L导师签字王习复云同期占。厂年，月J同Z，1年，月箩同0海上风力发电塔架风涡激振动及疲劳分析摘要风是一种绿色能源，风力发电是世界上发展最快的能源技术，我国正在开发海上风电场，需要技术支持。海上风力发电塔架主要承受周期性和随机性载荷，而风载荷是一种随机性载荷。自然界的风在时间和空间上具有多变性，使得风对海上风力发电塔架结构的作用显得非常复杂。在时间上，风速的脉动以及随风频繁脱落的涡系都会引起塔架结构的振动。因此，研究风力引起的塔架结构动力响应具有一定的意义。采用RANS方法，基于SST湍流模型，同时结合动网格技术，利用ANSYSCFX双向流固耦合的方法对海上风力发电塔架进行了风涡激振动数值模拟。得到了塔架在风涡激振动作用下热点处的应力时程曲线。采用线性滤波法，基于自回归AR模型，自编MATLAB程序，模拟了塔架不同高度处的脉动风载荷时程。得到了在脉动风载荷作用下塔架热点处的应力时程曲线。将两种工况下塔架热点处的应力时程进行雨流处理，分别编制了塔架的变幅载荷谱，结合DNV提供的SN曲线和MINER线性累积损伤理论，对海上风力发电塔架进行了疲劳寿命估算。通过研究，建立了海上风力发电塔架在风涡激动振动作用下的疲劳寿命评估方法。为海上风力发电塔架的合理设计提供了一定的理论依据，海上风力发电塔架的研究对将来塔架的优化设计提供借鉴，对我国海上风电产业的发展有一定的实用价值。关键词塔架；SST模型；涡激振动；疲劳哈尔滨丁程大学硕学位论文PLLL海上风力发电塔架风涡激振动及疲劳分析IABSTRACTWINDISAGREENENERGYRESOURCEWINDPOWERISTHEWORLDSFASTESTGROWINGENERGYTECHNOLOGY，OURCOUNTRYISDEVELOPINGAOFFSHOREWINDFARMTHESTRUCTURALOFOFFSHOREWINDTURBINEPRINCIPALLYWITHSTANDSPERIODICANDRANDOMLOADSBUTTHERANDOMLOADSMAINLYCOMEFROMTHEWINDLOADNATUREOFTHEWINDINTIMEANDSPACEWITHMOREVARIABILITY，MAKINGTHEWINDONTHESTRUCTURALOFOFFSHOREWINDTOWERISVERYCOMPLEXINTIME，WINDSPEEDFLUCTUATIONANDFREQUENTSHEDDINGOFVORTICESWINDWILLCAUSETHEVIBRATIONOFTHETOWERSTRUCTURETHEREFORE，THERESEARCHHASACERTAINSIGNIFICANCEBASEDONTHERANSMETHODANDSSTTURBULENCEMODEL，COMBINEDWITHTHEDYNAMICMESH，BIDIRECTIONALFLOWUSINGANSYSCFXFLUIDSTRUCTURECOUPLINGMETHODSFOROFFSHOREWINDTOWERWINDVORTEXINDUCEDVIBRATIONSIMULATIONWEOBTAINTHEROLEOFVORTEXINDUCEDVIBRATIONINTHEWINDSTRESSATTHETIMEUNDERTHEHOTSPOTLOCATIONUSINGTHELINEARFILTERINGMETHOD，BASEDONAUTOREGRESSIVEMMODEL，WEMAKEMATLABPROGRAMTOSIMULATETHETOWERATDIFFERENTHEIGHTSFLUCTUATINGWINDLOADTIMEHISTORYWEOBTAINTHEFLUCTUATINGWINDLOADSINTHETOWERWHENTHEHOTSPOTSTRESSATTHECURVESBOTHTHESTRESSCONDITIONSATTHETOWERUNDERTHEHOTLOCATIONPROCESSRAINFLOWCOUNT，NAMELYTHEPREPARATIONOFTHETOWEROFVARIABLEAMPLITUDELOADINGSPECTRUM，COMBINEDWITHDNVTOPROVIDETHESNCURVEANDMINERLINEARCUMULATIVEDAMAGETHEORYRESPECTIVELY，THEOFFSHOREWINDPOWERTOWERWASESTIMATEDFATIGUELIFE,ANDCOMPAREDAIMINGATTHESTUDYOFFATIGUELIFEASSESSMENTOFOFFSHOREWINDPOWERSTRUCTUREUNDERTHEWINDVORTEXINDUCEDVIBRATIONWEESTABLISHEDTHEFATIGUELIFECALCULATIONSYSTEMOFOFFSHOREWINDPOWERSTRUCTUREINTHISTHESISWEPROVIDEDFORTHEDESIGNOFOFFSHOREWINDPOWERTOWERAREASONABLETHEORETICALONTHEOPTIMALDESIGNOFFUTUREREFERENCETOOURDEVELOPMENTOFOFFSHOREWINDPOWERINDUSTRY，ITHASSOMEPRACTICALVALUESKEYWORDSTOWER；SSTTURBULENCEMODEL；WINDVORTEXINDUCEDVIBRATION；FATIGUE哈尔滨T程大学硕十学位论文海上风力发电塔架风涡激振动及疲劳分析目录第1章绪论111选题意义和背景112国内外研究现状与进展1121涡激振动研究现状”1122疲劳研究现状313本论文的研究目的414本论文的研究内容515本论文的创新之处5第2章圆柱体涡激振动的研究方法621流体涡激振动理论简介”6211漩涡的基本特性6212漩涡对结构物的影响722涡激振动微分方程的建立8221涡激振动下的升力9222涡激振动下的阻力923频率锁定现象”1024涡激振动的减小方法”1025本章小结11第3章基于CFD方法的二维圆柱体涡激振动数值模拟”1231CPI数值方法概述12311CFD的求解过程12312湍流模型的分类12313初始条件和边界条件15314基于SST湍流模型的RANS方法17315CFD模型的离散有限体积法1932ANSYSCFD流固耦合解决方案22321流固耦合的基本问题22322双向流固耦合的基本方式22323ANSYSCFX流固耦合基本思路23哈尔滨_T程大学硕士学位论文324流固耦合求解器MFX”2433圆柱体受迫振动数值仿真25331建立模型及划分网格25332边界条件设置26333计算结果分析”2734圆柱体自激振动数值仿真”2735本章小结30第4章海上风力发电塔架风涡激振动响应分析”3141概述”3142ANSYS结构动力分析介绍31421模态分析及其ANSYS实现过程31422瞬态动力学分析”3243海上风载荷模型”3344塔架风涡激振动分析33441塔架结构和流体域边界条件设置34442算例分析3545本章小结“39第5章海上风力发电塔架疲劳分析4051疲劳理论基本概念40511疲劳载荷的类型与基本术语”40512材料的SN曲线与基本术语4252疲劳累积损伤理论“4353影响疲劳寿命的因素4454雨流计数法4655脉动风载荷作用下塔架疲劳分析50551风的特性50552脉动风功率谱50553脉动风速时程模拟理论50554算例分析4956风涡激振动作用下塔架疲劳分析5457本章小结55海上风力发电塔架风涡激振动及疲劳分析结论58参考文献60攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果62致谢63附录64_，7第1苹绪论第1章绪论11选题意义和背景风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为274X109MW，其中可利用的风能为2X107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。随着海上风电场技术的发展成熟，经济上可行，将来必然会成为重要的可持续能源。现代大型兆瓦级水平轴风力机的塔架一般均采用圆锥筒型薄壁结构，高度超过50米甚至100米，其顶端装有较大质量的机舱和旋转的风轮。由于自然界的风在时间和空间上具有多变性，使得风对风力机塔架结构的作用显得非常复杂在空间上要考虑风速、风向和风压沿塔架高度的变化等；在时间上要考虑风速的脉动以及随风频繁脱落的涡系等，这些因素都会引起塔架结构的振动。特别在过临界范围，有可能导致几十倍于正常风力的效应。而塔架结构的变形和振动，不仅会引起塔架的附加应力，影响其结构强度，特别是疲劳强度，而且还会影响顶端风轮的变形和振动。因此设计风力机及其塔架时，必须进行塔架固有频率和固有振型的分析以及风力引起的塔架结构动力响应分析。由于风载荷的随机性和在空间分布的可变性，使对风诱发的塔架振动进行解析分析有一定的复杂性，要想得到解析结果是很困难的。随着我国风力机事业的不断发展，有限元等数值分析的理论和方法已应用于风力机结构设计中。12国内外研究现状与进展121涡激振动研究现状对于海洋工程而言，涡激振动VLV的分析方法主要有两种1通过实验或参数预测的手段，依靠实验数据去获得有效的计算结果。2利用CFD技术求解NAVIERSTOKES方程，直接求得水动力项。近年随着CFD技术的快速发展，数值方法被越来越多的研究者广泛应用。涡激振动的计算模型包括经验模型、混合模型、流体动力学模型。而经验模型又包括尾流振子模型、离散频率模型、随机模型，流体动力学模型包括涡离散模型、雷诺应力模型、大涡模拟模型LES、直接模拟模型。1964年BISHOP和HASSON1】首次提出的尾流振子模型概念，通过对振动圆柱体升力哈尔滨丁程大学硕十学位论文和阻力的实验测量结果进行分析，认为尾流对结构的作用相当于一个非线性振子。1970年HARTLEN和CURRIEL21首次提出了尾流振子模型的数学表达式。用VANDEPOL方程的近似形式作为升力系数的控制方程，并同时与结构的振动方程联合求解。1WAN和BLEVINS3】采用假设一个流体变化参数，根据动量方程导出了一个与HARTLEN和CURRIE的模型相类似的方程，并得到了用于二维均匀流场弹性支撑刚性圆柱体的尾流振子模型，后来又将其推广到弹性圆柱体上。基于该模型，1WAN进一步提出了预测非均匀流的圆柱体涡激振动响应分析的方法。近年来，尾流振子模型得到了很大的发展。KIML41研究了在均匀流或剪切流中的漩涡从静止结构物和柔性结构物上脱落的三维特性。2004年FACCHINETTI和LANGRE5L总结了近30年来20多篇关于尾流振子模型的理论和实验研究，对尾流振子模型进行了一定的改进。2005年中国海洋大学郭海燕【6】以支撑于浅海固定式平台上的弹性立管为例，采用改进的VANDERPO尾流振子模型，研究其在内部流动和外部波浪、海流共同作用下的动力特性及涡激振动响应。建立了海洋立管涡激振动微分方程，用HERMIT插值函数对立管微分方程进行离散，并用MINER疲劳累积损伤理论对立管的疲劳寿命进行分析，研究了立管内流对涡激振动响应幅值和疲劳寿命的影响。目前尾流振子模型的控制参数来源于实验与经验，虽然能够模拟出若干涡激振动的非线性特性，但是其精度仍依赖于经验参数的选取，其次，模型本身的假设以及不确定因素影响还需要进一步研究。另外，国内外不少研究者偏向于采用流体动力学CFD技术，解决涡激振动VIV问题，按照对湍流采取的不同处理形式，分为离散涡方法DVM、雷诺平均NS方程RANS方法、大涡模拟方法LES以及NS方程直接模拟方法DNS。四种模型的优缺点1离散涡方法DVM不能解决高雷诺数问题；2雷平均NS方程RANS方法在海洋工程中比较流行，能解决高雷诺数问题；3大涡模拟方法LES计算精度介于PANS和DNS之间，是现阶段涡激振动数值研究的主要方向4直接模拟方法DNS计算精度高，但是耗费时间长，很难用于实际。2004年，HLJAMAL和DALTONL7】采用LES方法计算了中雷诺数RE13000时孤立柱因漩涡发放引发的振动VLV。对3D流场简化为2一D计算，将计算的阻力、升力系数等与3D实验数据相对比，得出一系列阻尼比和固有频率情况下RE8000圆柱涡激振动响应方面的研究成果。2006年哈尔滨工业大学陈文礼【8】采用基于RANS方法的SST湍流模型对二维20PJ“第1章绪论7IIII圆柱涡激振动进行了数值模拟。通过改变风速来研究圆柱涡激振动的特性，研究表明，当约化速度处于4951之间时可以观察到“频率锁定现象，而且在非锁定区域圆柱的位移反应中还可以观察到“拍”的现象。2006年大连理工大学赵德有【9】应用NEWMARK算法对某成品油轮桅杆结构的涡激振动响应。研究了桅杆结构直径变化对涡激振动响应的影响。国内研究者利用有限元与大涡模拟方法，结合VOF方法模拟波浪自由表面，或利用有限元模型，计算海管周围的漩涡的释放形式和海管的振动幅值。在低雷诺数下，通过在流固边界上位移和应力的反复迭代，进行圆柱和外部流场的耦合计算，并且考虑在内流的影响下涡激振动的特性，通过与物理模型对比，建立的模型能够很好的反映流场细部结构和涡激振动特性。在风工程的研究中，研究方法主要包括风洞试验、理论模型、现场测试和数值模拟四种，其中数值模拟是最近30年在前三种方法的基础上逐步发展起来的。20世纪80年代以来，结构风工程研究除继续采用风洞试验这一种传统和主要的研究方法外，研究学者开始基于空气动力学原理，采用计算流体动力学技术，使用数值模拟方法计算大气边界层中钝体绕流，从而形成一门新兴交叉研究方向计算风工程。国内目前对高耸结构风振的规范计算方法主要包括同济大学张相庭【10】的结构风压和风振计算手册。此外，中海油海工设计部张红【LLL，基于有关实验研究成果，结合流体涡激振动理论和相关规范要求，总结归纳风涡激振动设计规则和设计过程，给出风涡激振动作用下，海上柔性结构设计、计算方法。广东工业大学李德源【12】教授应用有限元数值分析方法分析了15MW变速变桨距风电机组圆筒型塔架在非定常气动力作用下的动力学响应。数值计算了塔架的动力特性，考察了风轮及机舱重量对塔架固有频率的影响；研究了作用在圆筒型塔架上的气动力特别是非定常气动力与雷诺数的关系；根据作用在塔架上的气动力，计算了塔顶处横向和顺风向在过临界和超临界条件下的动态位移。浙江大学王红梅【13L采用两参数振子模型，考虑梯度风场中高耸结构的气一固耦合相互作用；运用片条理论和差分法，建立了烟囱涡激振动多自由度体系的非线性方程。直接在时域中求解多自由度非线性涡振方程，准确地反映涡激振动的“锁定和振幅峰值效应，并在时域中分析了烟囱结构发生涡致振动的响应幅值、临界风速范围及其影响因素。122疲劳研究现状哈尔滨工程大学硕十学位论文由于风载荷实际上是一种随机脉动作用，由随机载荷产生的疲劳现象称为随机疲劳。承受随机载荷的结构，在进行疲劳强度计算、寿命估算之前，必须先确定其载荷。用得较多的载荷谱有两种一种是程序块式载荷谱，一种是随机过程载荷谱。编谱的重要一环，是用统计理论来处理获得的实测子样。对于随机载荷，统计方法主要有两类一类是循环计数法，一类是功率谱法。循环计数法常用的包括峰值计数法、幅度计数法、雨流计数法。雨流计数法是根据所研究的材料的应力一应变行为进行计数，这是国内外普遍认为符合疲劳损伤规律的一种计数法。随机载荷作用下的疲劳寿命的估算方法有很多，归纳起来分为两类一类是名义应力法，即以SN曲线为依据进行寿命估算的方法，得到的寿命是总寿命；另一类是用局部应力一应变法估算裂纹形成寿命，用断裂力学方法估算裂纹扩展寿命，两者加起来是总寿命。局部应力一应变法估算裂纹形成寿命一般只适用于低周疲劳，而海上风力发电塔架疲劳属于高周疲劳范畴，故应采用第一类方法。王之宏114】提出了对桅杆结构进行疲劳分析的一种方法借助于桅杆所在地的风速资料，利用接近于实际的风模拟荷载，对桅杆结构进行时域内的非线性分析，从而得到了风荷载下桅杆结构易破坏处的应力时程曲线。运用雨流法，得到不同风速下、不同应力水平下的结构实际循环次数，并可确定结构在己使用时间内不同应力水平下的实际循环次数，结合结构疲劳P_SN曲线及MINER疲劳累积损伤理论，可对桅杆结构进行剩余寿命估计。河北工程大学张峥从风力机的疲劳载荷源和疲劳寿命要求出发对风力机疲劳问题进行了分析，确定了风力机疲劳分析的方法和步骤，根据风速分布和设计寿命，采用雨流计数法制定出疲劳载荷谱，然后由疲劳载荷谱计算风力机疲劳寿命。目前在风工程中，涡激振动的数值计算主要集中研究横向风涡激振动，而有学者指出在纵向力作用下，结构也可能发生纵向共振现象，不过由于纵向振动只与单个漩涡体力有关，其幅度一般比横向振动小得多，尚不至于引起结构骤然损坏，但若长久持续，也足以使结构发生疲劳损伤，因此纵向振动也应该予以重视。涡激振动理论已经广泛应用于钢制塔架及海洋立管方面，而对风力发电塔架的风涡激振动研究国内很少，因此研究风力发电塔架的风涡激振动很有工程意义。13本论文的研究目的1采用ANSYSCFX双向流固耦合的方法，对海上风力发电塔架进行了三维风涡激振动分析。2采用线性滤波法，基于自回归AR模型，对海上风力发电塔架进行了脉动风载荷数值模拟。4，。，“弟1章绪论JI_II|暑；I；I；宣I宣宣葺置暑宣皇置暑；I嗣3利用上述两种工况的分析结果，给出塔架热点处的载荷谱形式，结合SN曲线和MINER线性累积损伤理论，建立了海上风力发电塔架的疲劳寿命评估方法。14本论文的研究内容1采用CFD方法，利用SST湍流模型和动网格技术，对给定振动频率和幅值的圆柱体受迫振动和均匀来流中弹性支撑的圆柱体自激振动进行了数值模拟，验证CFD方法处理涡激振动问题的可行性。2采用ANSYSCFX双向流固耦合的方法，结合动网格技术，参考DNV规范提供的指数风速剖面模型，对海上风力发电塔架在10年一遇和50年一遇风况下进行了三维风涡激振动分析。3采用线性滤波法，基于自回归AR模型，对海上风力发电塔架进行了脉动风载荷数值模拟，得到塔架不同高度处的脉动风载荷时程曲线，并对塔架在脉动风载荷作用下的响应进行数值模拟。4根据塔架在脉动风载荷作用下和风涡激振动下塔架热点处的应力时程，运用雨流法，结合结构疲劳SN曲线及MINER疲劳累积损伤理论，分别编制了塔架的变幅载荷谱，对海上风力发电塔架进行了疲劳寿命估算。15本论文的创新之处1采用ANSYSCFX双向流固耦合的方法，研究了海上风力发电塔架风涡激振动对塔架的影响。2在风涡激振动分析的基础上，确定了塔架的载荷谱形式，建立了塔架的疲劳寿命的评估方法。5哈尔滨，T程大学硕士学位论文第2章圆柱体涡激振动的研究方法涡激振动属于典型的流固耦合问题。这是一个相当复杂、涉及流体动力学和结构动力学的跨学科的问题。要建立和分析一个能包罗各种流固耦合系统的通用数学模型显然是很困难的，实际上往往也没有这个必要。通常可根据不同类型的流固耦合问题或具体情况作一些假设，以简化数学模型，提高计算效率。一般可把结构分成细小结构和大体积结构。前者通常与流体有较大的相当运动，要考虑流体的粘性、分离和旋转等因素，但可不计流体的可压缩性以及反射、绕流等对流场的影响。后者通常与流体的相对运动不大，可把流体视为无粘、无旋的理想流体。但要考虑结构的反射、绕流等对流场的影响。涡激振动问题属于后者，本论文主要讨论的是大体积结构的流固耦合振动。21流体涡激振动理论简介211漩涡的基本特性实验研究表明，流速不高的流体在圆柱体后面通常形成规则的流线。流速达到某一值时在圆柱体后面形成漩涡。漩涡的发生和发展与表征流体惯性与粘性力比值的无量纲雷诺数R有关。R。VXD21弘式21中，V是流体的速度，D为圆柱的直径，A为流体的粘滞系数。当R35X106时，在圆柱后流体形成湍流涡街。6钿第2章圆梓体涡激振动的研究方法皇I宣置置置II置I暑J昌II葺|昌；I暑篁宣III宣暑皇昌II宣；IIIIIIIII；IIIII；III暑III暑I；暑II暑I置I罱宣暑III皇III暑III昌置图21RPPX，Y，Z，TO一POO，Y，ZT；TX，Z，TO一瓦O，Y，Z很明显，当流体运动定常时，无初始条件问题。2边界条件所谓边界条件就是流体力学方程组在求解域的边界上，流体物理量应满足的条件。例如，流体被固壁所限，流体将不应有穿过固壁的速度分量；在水面这个边界上，大气哈尔滨T程大学硕十学位论文压强认为是常数一般在距离不大的范围内可如此；在流体与外界无热传导的边界上，流体与边界之间无温差，如此等。由于各种具体问题不同，边界条件提法千差万别，一般要保持恰当1保持在物理上是正确的2要在数学上不多不少，刚好能用来确定积分微分方程中的积分常数，而不是矛盾的或有随意性。通常流体边界分为流固交界面和流流液液、液气交界面，下面分别讨论。A流固分界面边界条件飞机、船舶在空气及水中运动时的流固分界面，水在岸边及底部的流固分界面，均属这一类。一般而言，流体在固体边界上的速度依流体有无粘性而定。对于粘性流体，流体将粘附于固体表面无滑移，即，IFVIS3一12式中VL，是流体速度；YIS是固壁面相应点的速度。式312表明，在流固边界面上，流体在一点的速度等于固体在该点的速度。对于无粘性流体，流体可沿界面滑移，即有速度的切向分量，但不能离开界面，也就是流体的法向速度分量等于固体的法向速度分量，即KL，IS3一13另外，也可视所给条件，给出无温差条件TI，一TIS314式中ZI，是流体温度，RIS是固壁面相应点的温度。B液液分界面边界条件密度不同的两种液体的分界面就属于这一类。一般而言，对分界面两侧的液体情况经常给出的条件是1,1，互互，AP315对应力及传导热情况给出的条件是F。一_0UL；罢L316F2一_H22_12ONDNQ；毛IOT婴I317C液气分界面边界条件16第3章基于CFD方法的二维网梓体涡激振动数值模拟液气分界面最典型的是水与大气的分界面，即自由面。由于自由面本身是运动和变形的，而且其形状常常也是一个需要求解的未知函数，因此就有一个自由面的运动学条件问题。设自由面方程为FO，Y，Z，F一0318并假定在自由面上的流体质点始终保持在自由面上，则流体质点在自由面上一点的法向速度，应该等于自由面本身在这一点的法向速度。经过一系列推导，得到自由液面运动学条件堡，卯。0319如果要考虑液气边界上的表面张力，则在界面两侧，两种介质的压强差与表面张力有如下关系办一A一盯云鬲1C32。，这就是自由面上的动力学条件。当不考虑表面张力时，有P；见321式中P。为大气压强。D无限远的条件流体力学中的很多问题，流体域是无限远的。例如，飞机在空中飞行时，流体是无界的。如果将坐标系取在运动物体上，这时无限远处的边界条件为当X一时，口H，P一以322其中下标表示无穷远处的值。314基于SST湍流模型的RANS方法雷诺平均就是把NAVIERSTOKES方程中的瞬时变量分解成平均量和脉动量两部分。对于速度，有嵋一UTUT323式中I和分别是平均速度和脉动速度ITL2，3。类似地，对于压力等其他标量，也有。万驴324式中表示标量，如压力、能量、组分浓度等。17哈尔滨T程大学硕十学位论文把式324代入瞬时的连续与动量方程，并取平均去掉平均速度上的横线，可以把连续与动量方程写成如下的笛卡儿坐标系下的张量形式詈砉PU,325P鲁。詈考H堕OXJ鲁一呈3TJ堕缸L、1J毒P瓦C326，式325和式326称为雷诺平均的NAVIERSTOKESPANS方程。它们和瞬时NAVIERSTOKES方程有相同的形式，只是速度或其他求解变量变成了时间平均量。额外多出来的项一PU。H，是雷诺应力，表示湍流的影响。对于密度变化的流动过程，如燃烧问题，需要采用法夫雷FAVRE平均才可以求解。法夫雷平均就是除了压力和密度本身以外，所有变量都用密度加权平均。变量的密度加权平均定义如下孑。面一J327P2巾|P巾式中符号表示密度加权平均，对应于密度加权平均值的脉动值用驴。表示，有妒一万妒。显然，这种脉动值的简单平均值不为零，但它的密度加权平均值等于零，即矿_0，刀0。为了求解方程326，必须模拟雷诺应力项以使方程封闭。通常的方法是应用BOUSSINESQ假设，认为雷诺应力与平均速度梯度成正比，表达式如下一P巧4以F堕0XJ等詈卜以善卜C328，BOUSSINESQ假设被用于单方程模型和K。双方程模型。这种近似方法好处是与求解湍流粘性系数有关的计算时间比较少。例如，在SPALARTALLMARAS单方程模型中只多求解一个表示湍流粘性的输运方程；在K。双方程模型中只需多求解湍动能K和耗散率两个方程，湍流粘性系数用湍动能K和耗散率5的函数来描述。BOUSSINESQ假设的不足之处是假设以是个各向同性标量，对于一些复杂流动，该条件并不是严格成立，所以具有其应用局限性。另外的近似方法是求解雷诺应力各分量的输运方程。这也需要额外再求解一个标量方程，通常是耗散率方程。这就意味着对于二维湍流流动问题，需要多求解4个输运方程，而三维湍流问题需要多求解7个方程，需要较多的计算时间，要求更高的计算机内存。18第3章基于CFD方法的二维圆梓体涡激振动数值模拟在很多情况下基于BOUSSINESQ假设的模型很好用，而且计算量并不是很大。但是，如果湍流场各向异性很明显，如强旋流动以及应力取得的二次流等流动中，求解RSM模型可以得到更好的结果。315CFD模型的离散有限体积法从上面的分析看到，CFD模型控制方程是一系列偏微分方程组，要得到解析解比较困难，目前，均采用数值方法得到其满足实际需要的近似解。数值方法求解CFD模型的基本思想是把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场如速度场、温度场、浓度场等，用一系列有限个离散点称为节点，NODE上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程称为离散方程，DISCRETIZATIONEQUATION，求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似解。在过去的几十年内已经发展了多种数值解法，其间的主要区别在于区域的离散方式、方程的离散方式及代数方程求解的方法这三个环节上。在CFD求解计算中用得较多的数值方法有有限差分法FINITEDIFFERENCEMETHOD，FDM、有限体积法FINITEVOLUMEMETHOD，FVM、有限元法FINITEELEMENTMETHOD，FEM及有限分析法FINITEANALYTICMETHOD，FAM。下面简要介绍，后面将着重介绍有限体积法。在有限体积法中将所计算的区域划分成一系列控制体积，每个控制体积都有一个节点作代表，通过将守恒型的控制方程对控制体积作积分来导出离散方程。在导出过程中，需要对界面上的被求函数本身及其一阶导数的构成作出假定，这种构成的方式就是有限体积法中的离散格式。用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数的物理意义明确，是目前流动与传热问题的数值计算中应用最广泛的一种方法。PHOENICS是最早投入市场的有限体积法软件，FLUENT、STARCD和CFX都是常用的有限体积法软件，它们在流动、传热传质、燃烧和辐射等方面应用广泛。1计算区域的离散化所谓区域的离散化DOMAINDISCRETIZATION实质上就是用一组有限个离散的点来代替原来的连续空间。一般的实施过程是把所计算的区域划分成许多个互不重叠的子区域SUBDOMAIN，确定每个子区域中的节点位置及该节点所代表的控制体积。区域离散后，得到以下四种几何要素。A节点NODE需要求解的未知物理量的几何位置。B控制体积CONTROLVOLUME应用控制方程或守恒定律的最小几何单位。19哈尔滨T程大学硕十学位论文C界面FACE它定义了与各节点相对应的控制体积的界面位置。D网格线GRID1INE连接相邻两节点面形成的曲线簇。一般把节点看成是控制体积的代表。在离散过程中，将一个控制体积上的物理量定义并存储在该节点处。图32给出了一维问题的有限体积法计算网格，图33给出了二维问题的有限体积法计算网格。控制体积边界I7一汛LII挖制体积图32一维的有限体积法网格挖制体积边界节点俨哕N。7开岁K易砺一悟一J眈W缓琵ESSIDJILI、弪利阵积图33二维的有限体积法网格计算区域离散的网格有两类结构化网格和非结构化网格。节点排列有序，即当给出了一个节点的编号后，立即可以得出其相邻节点的编号，所有内部节点周围的网格数目相同。这种网格称为结构化网格STRUCTUREDGRID。结构化网格具有实现容易、生成速度快、网格质量好、数据结构简单的优点，但不能实现复杂边界区域的离散。而非结构化网格的内部节点以一种不规则的方式布置在流场中，各节点周围的网格数目不尽相同。这种网格虽然生成过程比较复杂，但却有极大的适应性，对复杂边界的流场计算问题特别有效。2有限体积法中常用的离散格式有限体积法常用的离散格式有中心差分格式、一阶迎风格式、混合格式、指数格式、乘方格式、二阶迎风格式、QUICK格式。各种离散格式对一维、稳态、无源项的对流一扩散问题的通用控制方程329均能得到式330的形式。对于高阶情况如式331I第3章基于CFD方法的二维圆梓体涡激振动数值模拟所不。警扑警329一T，一_出出I出J口，办一口矽妨口E九330口P纬AW破Y口孵识懈口E九口E谚皤331式中，对于一阶情况，AP一唧4AE以一E，对于二阶情况，AP口雎C一匕，其中系数和取决于所使用的离散格式高阶还有4胛和口肛。为了便于比较和编程计算，将各种离散格式的系数总结于表31。表31各种离散格式的系数离散格式系数系数中心差分格式见噜D一墨2一阶迎风格式见4MAXE，0DMAX0,一互混合格式MAXF，D分】眦【也见。制FCXPF|D3E指数格式EXR,P见一1CXR,F,O1在利用有限体积法建立离散方程时，必须遵守以下四条基本原则。1控制体积界面上的连续性原则当一个面为相邻的两个控制体积所共有时，在这两个控制体积的离散方程中，通过该界面的通量包括热通量、质量通量、动量通量的表达式必须相同。即通过某特定界面从一个控制体积所流出的热通量，必须等于通过该界面进入相邻控制体积的热通量，否则，总体平衡就得不到满足。2正系数原则中心节点系数酃和相邻节点系数锄必须恒为正值。该原则是求得合理解的重要保证。当违背这一原则，结果往往是得到物理上不真实的解。例如，如果相邻节点的系数为负值，就可能出现边界温度的增加引起的相邻节点温度降低。3源项的负斜率线性化原贝I源项斜率为负可以保证正系数原则。从式1100中看到，当相邻节点的系数皆为正值，但有源项S的存在，中心节点系数AP仍有可能为负。当我们规定S0，便可以保证昏为正值。4系数A尸等于相邻节点系数之和原则当源项为0时，我们发现中心节点系数等于相邻节点系数之和，而当有源项存在时21哈尔滨T程大学硕十学位论文也应该保证这一原则，如果不能满足这个条件，可以取昂为O。32ANSYSCFD流固耦合解决方案321流固耦合的基本问题流固耦合问题一般分为两类，一类是流一固单向耦合，一类是流一固双向耦合。单向耦合应用于流畅对固体最用后，固体变形不大，即流畅的边界形貌改变很小，不影响流畅分布的，可以使用流固单向耦合。先计算出流畅分布，然后将其中的关键参数作为载荷加载到固体结构上。典型应用比如小型飞机按刚性体设计的机翼，机翼有明显的应力受载，但是形变很小，对绕流不产生影响。当固体结构变形比较大，导致流畅的边界形貌发生改变后，流畅分布会有明显变化时，单向耦合显然是不合适的，因此需要考虑固体变形对流畅的影响。两者相互作用，最终达到一个平衡状态稳态问题中。比如大型客机的机翼，上下跳动量可以达N5米，以及一切机翼的气动弹性问题，都是因为两者相互影响产生的。因此在解决这类问题时，需要进行流固双向耦合计算。322双向流固耦合的基本方式双向流固耦合的基本思路是分别计算流场和固体结构，然后通过中间平台交换耦合量。每次大迭代中，分别进行一次流体计算和固体计算，并交换2次数据每个方向各一次，直到最终收敛。这种通过交换耦合边界的耦合量实现的双向耦合称为松耦合方式即非耦合方程方式求解。1MPCCIMPCCIMESHBASEDPARALLELCODECOUPLINGINTERFACE是德国法兰克福SCAI研究中心开发的针对耦合问题的工程软件。本身没有计算功能，是作为数据交换和控制台软件存在。具体是通过计算机内部的口通讯的监听和操作来实现数据的交换和求解器的控制。其基本框架与CFXANSYS耦合方式相同。下图为MPCCI的框架结构，呈现一般流固双向耦合的实现方式。MPCCL306版本可以使用ANSYSII0以及FLUENT63版本。MPCCL40可以使用ANSYSL20和FLUENTL2版本。2ANSYSCFX11O版本CFX是集成于ANSYS中的流体计算软件，虽然功能较FLUENT差，但是目前只有CFX可以不借助第三方软件与ANSYS实现双向流固耦合的计算。因此现在选用ANSYSCFX来解决双向流固耦合问题。其基本框架与MPCCI相同，实现耦合的通讯软件为第3章基于CFD方法的二维圆梓体涡激振动数值模拟MFXMULTIFIELDSOLVER。N聃LLUM甲呻XF啊图34MPCCI框架结构323ANSYSCFX流固耦合基本思路1基本的方法形成两套网格和边界，其中包含了特殊定义的耦合边界和状态、参数，耦合软件将通过定义的耦合边界来传递耦合参数，并指挥流体、固体求解器计算，依次实现双向耦合分析。因为耦合参数是通过插值传递的，所以耦合边界上不要求网格的连续性。2文件类型固体文件孛INPANSYSINPUTFILE。INP文件中包含了固体网格，边界条件如FIX约束，受力等，定义耦合边界以及时间步等信息。流体文件宰MSHOR木CAS一FLUENT网格文件项目文件这里因为使用外部网格，可使用FLUENT的网格文件，也可以由ICEMCFD直接生成CFX的网格文件，没有影响。木MSH中包含流体网格和NAMEDSECTION。NAMEDSECTION用于按命名区域制定不同类型的边界以上两种文件是耦合使用的原始文件，可由不同的软件或者手工生成，不影响使用。比如，ICINP可以由ANSYSAPDL、ANSYSWORKBENCH或者HYPERMESH生成；木MSH可以由ANSYSWORKBENCH、ICEMCFD、GAMBIT等生成。本论文中，两者都用ANSYSWORKBENCH生成。MFX使用的文件木DEFMFX在使用中是从CFXSOLVER中启动的，宰DEF实际是CFXPRE交给CFXSOLVER使用的文件。哈尔滨T稗大学硕十学位论文其他格式其他格式的文件是各软件自己的工程文件类型，不参与耦合计算，只是作为工程文件保存。下图是基本流程框架结构。建立几何模型生成流体网格施加约束和定义流固耦合LL定义流体边界条件ANSYS多域求解器图35ANSYSCFX流崮耦合流程图324流固耦合求解器M踊ANSYSMULTIFIELD求解器适用于许多耦合分析问题，主要用于流体一结构交互作用分析，使用ANSYSMECHANICAL求解分析的结构部分，使用ANSYSCFX求解流体部分。为了使用MFX求解器，分析就必须满足以下要求1首先分析必须是三维的。2ANSYS模型必须为单场模型，载荷传递涉及到的单元必须为3D单元，并且具有结构或热自由的。3仅传递面载荷。有效的面载荷包括位移、温度、力、热通量。4只能耦合两个场求解器，一个ANSYS和一个CFX。给定的分析只能具有两个场求解器间的一个耦合，但是可以有多个载荷传递。5ANSYS允许稳态和瞬态分析，但是CFX仅允许瞬态分析。使用MFX时，通过流一固交互作用分析传递数据。首先ANSYS代码进行活动读取所有的多场命令，从CFX代码中获取界面网格，进行映射，以及将时间和交错环控制传达给CFX代码。由ANSYS生成的映射用于在耦合界面每一侧上的不同网格之间插入载荷。每一个场求解器通过连续的多场时间步长和每一个时间步长中的耦合迭代向前推进。在每个耦合迭代过程中，每个场求解器从其他场求解器中获取所需的载荷，然后求解自己第3章基于CFD方法的二维圆样体涡激振动数值模拟的物理场。33圆柱体受迫振动数值仿真圆柱体的受迫振动实验关心的是圆柱体与流场之间耦合作用的水动力特性。在实验中，一般令圆柱体在均匀来流中按照给定的振幅和频率运动，然后记录分析圆柱体表面的阻力和升力系数变化情况。圆柱体的振动可以看作弹簧质量系统，运动方程为阻C强K舷一FO332其中M结构质量矩阵C结构阻尼矩阵K结构刚度矩阵F随时间变化的载荷函数U节点位移矢量仁节点速度矢量傅】节点加速度矢量即M、C、K分别为圆柱体的质量、结构阻尼和弹簧刚度，FT为圆柱表面的升力。为了验证CFD计算涡激振动问题的准确度，本文采用与实验做对比的方法。2003年荷兰MARINTESTBASIN水池做了一系列的强迫振动试验，实验选取了直径02M，长度为34M的铝管。实验具体相关数据如表32所示表32实验参数参数实验铝管铝管直径D02M铝管长度L34M均匀来流速度V022MS雷诺数RE39600约化速度VR2O一14O振动幅度AD005一11以下受迫振动将按照实验参数建模分析。331建立模型及划分网格计算域为一矩形区域，如图所示。上游IOD,下游40D，宽20D。采用ICEMCFDLL0哈尔滨T程大学硕十学位论文进行网格划分，采用结构化网格。生成网格质量的好坏直接影响到模拟结果的精度和耗费CPU的时间。在计算敏感区域壁面附近、尾流区、外形曲率大的表面处参数变化梯度大的区域，若网格太稀，则不能扑捉到流场的重要信息，通常会造成结果误差很大，甚至不收敛，对这些区域应适当加密网格；在流动参数变化梯度比较小的区域，若网格太密，则会增加CPU的时间，应当稀疏网格。所以本文采用六面体网格，在圆柱壁面加密网格。为了防止涡激振动过程中网格变形过大，计算域划分为两个域A1、A2，在圆柱附近建立一个小域A1，余下流场为一个域A2。AL域随着圆柱一起运动，网格不变形，A2域网格变形。两域之间建立交界面INTERFACE，同时让两域之间的交界和圆柱一起运动。圆柱壁面和尾流对应的网格比较密集，其余部分的网格逐渐稀疏。圆柱近壁面网格尺寸按照公式333设置。两域网格总数为29418。Y；0172萼XREO拿333、一。“，47、SJJ。J，11、1“I，、。7P，|JI7；”一、一。_，图36A1域网格图37A2域网格图38A1和A2两域合并后网格332边界条件设置本文采用CFX的SST湍流模型圆柱涡致振动进行分析。入口条件入口采用速度边界条件VELOCITYINLET，切向速度为0，只有法向速度。湍流强度为5。出口条件出口采用OPENING边界条件，湍流强度和入口强度一样采用默认强度5，相对压力选为0。第3章基于CFD方法的二维圆梓体涡激振动数值模拟侧壁采用SYMMETRY对称边界条件。上下壁采用自由滑移FREESLIP壁面边界条件。圆柱表面采用NOSLIP壁面边界条件。参考压力选为1个大气压，流动选为非定常流动。假设圆柱体横向位移按照正弦规律变化YTASINTOT计算时间步长取T30，T为漩涡脱落周期。本文取时间步长为出IO05S333计算结果分析由于篇幅所限，本文仅列出振幅AOIM，约化速度VR50下，圆柱表面的升力和阻力时程曲线图39VR50时圆柱表面对升力和阻力系数曲线在该约化速度下，圆柱不同时刻涡量图嘲瓣3磺搦孵QPQ图312T30S时刻涡量图图313T50S时刻涡量图34圆柱体自激振动数值仿真圆柱受迫振动只需利用CFX就可以完成，而自激振动需要采用ANSYSCFX双向耦合的方法。结构和流体模型同时建模，如图314所示，结构模型定义属性、划分网格、