充流管道单向流固耦合数值模拟自动化研究_陈坚红

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第８期
陈坚红，等：充流管道单向流固耦合数值模拟自动化研究
·６１３·
石油、化工等各类工业装充流管道系统在电力、，）置中有着广泛的应用充流管道的流固耦合（ＦＳＩ
］１４－振动是当前理论和工程研究的热点［流体在管道．
管道网格模型连同其所受载荷，并进行结构分析．
２卷第８期第３０１２年８月２
动力工程学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｏｆＰｏｗｅｒＥｎｉｎｅｅｒｉｎｙｇｇ
Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．８Ａｕ．２０１２ｇ
ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎＯｎｅｗａＦｌｕｉｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ－－ｙＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆＦｌｕｉｄｆｉｌｌｅｄＰｉｅｌｉｎｅ－ｐ
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中流动会对管道产生一定的作用力，使管道产生一而管道的变形会促使流体的流场发生改定的变形，变化后的流场又给管道结构带来新的激励，这种变，相互作用的过程就是流固耦合过程
［５］
近几年来，．
国内外学者对流固耦合的理论和计算方法开展了广取得了一些成果．但是，由于流固耦合问泛的研究，题存在复杂性，流固耦合方程的建立还存在许多假设，远远不能达到解决实际工程问题的需要，因此有必要进行深入研究．对于流固耦合过程的求解，比较而具有复简单的问题可以采用解析法和半解析法，杂边界条件的实际工程问题则很难给出解析解，需要采用数值计算方法进行反复迭代计算才能得到分析结果由于采用数值计算方法计算一个完整的．流固耦合过程时，计算量比较大，且实际工程中大多
，，）２．ＳｈａｎｄｏｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＥｎｉｎｅｅｒｉｎＣｏｎｓｕｌｔｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．Ｌｔｄ．Ｊｉｎａｎ２５００１３，Ｃｈｉｎａｇｇｇｇ：ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｔｏｔｈｅｆａｃｔｔｈａｔｔｈｅｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｏｎｅａｆｌｕｉｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｅｒａｃｒｏｃｅｓｓ－ｗ－－ｇｙｐ，，ｔｉｏｎｏｆｆｌｕｉｄｆｉｌｌｅｄｉｅｌｉｎｅｉｓｃｏｍｌｅｘａｎｄｔｈｅｄａｔａｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｉｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｓｎｏｔｅｘａｃｔａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｏ－ｐｐｐｐ－，ｒａｍｈａｓｂｅｅｎｃｏｍｉｌｅｄｕｓｉｎＣ＋＋ｌａｎｕａｅｔｏａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｉｍｌｅｍｅｎｔｔｈｅｍｏｄｅｌｂｕｉｌｄｉｎｆｌｕｉｄｃａｌｃｕ－ｇｐｇｇｇｙｐｇ，ｗｌａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎａｌｓｉｓｉｔｈｗｈｉｃｈｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｏｎｅａｆｌｕｉｄｓｔｒｕｃ－ｗ－－ｙｙ，ｉｅｌｉｎｅｔｕｒｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｆｌｕｉｄｆｉｌｌｅｄｉｓｒｅａｌｉｚｅｄａｎｄｔｈｅａｕｔｈｅｎｔｉｃｉｔｏｆｔｈｅｄａｔａｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｉｓｅｎｓｕｒｅｄ．－ｐｐｙｇＴｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｉｓｒｏｒａｍａｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄｂｒｅｌｅｖａｎｔｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｉｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ．Ｔａｋｉｎｔｈｅｐｇｙｐｇ，ｉｅｌｉｎｅｉｎａｏｗｅｒｌａｎｔａｓａｎｏｂｅｃｔｏｆｓｔｕｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｅｒｆｏｒｍｅｄｏｎｔｈｅｏｎｅａｆｌｕｄｒａｉｎ－ｗ－ｐｐｐｐｊｙｐｙ，，ｉｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｉｎｃｌｕｄｉｎａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｂｕｉｌｄｉｎｔｈｅｍｏｄｅｌｓｉｍｕｌａｔｉｎｔｈｅｄｉｓｔｒｉｉｅｌｉｎｅｒｅｓｓｕｒｅ－－ｇｙｇｇｐｐｐｂｕｔｉｏｎｏｆｆｌｕｉｄｉｎｓｉｄｅｔｈｅａｎｄａｎａｌｚｉｎｔｈｅｓｔｒｅｓｓｉｎｔｈｅｂｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｆｌｕｉｄｄａｔａｉｅｌｉｎｅｉｅｌｉｎｅｒｅｓｓｕｒｅｙｇｙｇｐｐｐｐｐｔｏｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｉｌｅｄｉｓａｃｃｕｒａｔｅｉｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｏｒａｍｒｅｖｉｏｕｓｌｐｐｇｐｙ，，ａｎｄｆａｃｉｌｅｉｎｏｅｒａｔｉｏｎｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｒｅｆｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｄｅｓｉｎｒｅｔｒｏｆｉｔａｎｄｒｉｓｋｏｆｆｌｕｉｄｆｉｌｌｅｄｒｅｄｉｃｔｉｏｎ－ｐｇｐｉｅｌｉｎｅ．ｐｐ：；；；ｉｅｌｉｎｅＫｅｗｏｒｄｓｆｌｕｉｄｆｉｌｌｅｄｏｎｅａｆｌｕｉｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｕｔｏｍａｔｉｏｎ－－ｗ－ｐｐｙｙ
（）杭州３济南２１．浙江大学热工与动力系统研究所，１００２７；２．山东电力工程咨询院有限公司，５００１３摘要：针对充流管道单向流固耦合数值模拟过程复杂、数据在耦合传递中存在偏差的问题，采用实现了从模型建立、流体计算到结构分析Ｃ＋＋语言编制了充流管道单向流固耦合数值模拟程序，确保了从流体计算到结构计算过程中数据传递的准确性．利用参考文献中的试验数过程的自动化，据验证了此程序计算结果的正确性，以实际发电厂的一段疏水管道为例进行单向流固耦合数值模拟，描述了程序自动建立管道模型、模拟管内流体压力分布以及将流体压力数据导入管道结构中进行管道应力计算的过程．结果表明：该充流管道单向流固耦合数值模拟程序具有结果准确、操作简可应用于多种充流管道的设计改造和风险预测中．便的特点，关键词：充流管道；单向流固耦合；数值模拟；自动化
收稿日期：２０１１１０１８２０１２０１１２－－修订日期：－－）基金项目：浙江省科技厅科研资助项目（２００９Ｃ２１００７，作者简介：陈坚红（男，浙江义乌人，副教授，主要从事能源与环境等方面的研究．１９６７－），）：；：盛德仁（联系人）男，教授，电话（Ｔｅｌ．０５７１８７９５１４９２Ｅ－ｍａｉｌＳｈｅｎＤＲ＠ｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．－ｇｊ
（）文章编号：１６７４７６０７２０１２０８０６１２０５ＴＰ３１９文献标识码：Ａ学科分类号：４７０．３０－－－中图分类号：

单向流固耦合实验报告

单向流固耦合实验报告
本实验旨在研究单向流固耦合系统中的关键参数对其行为的影响，并评估其在实际工程应用中的潜力。

实验目标：
理解单向流固耦合系统的基本原理；
评估不同参数（如流速、压差、材料性质等）对系统行为的影响；
分析单向流固耦合系统在工程应用中的优缺点。

实验步骤：
准备工作：
收集所需实验设备和材料，包括流体介质、固体样品、测量仪器等；
搭建单向流固耦合实验装置，确保装置密封且安全可靠；
根据实验需要设置并记录所使用的参数，例如流速、压差等。

流体流动部分：
将流体介质注入实验装置中，并确保流动无阻碍；
使用适当的测量仪器（如流量计、压力计等）测量流体的流速和压力差；
记录实验数据，包括流速、压差等参数。

固体结构部分：
将待测固体样品放入实验装置中，并固定在合适的位置上；
通过加载装置施加特定的力或应变，以模拟实际工程应用中的载荷情况；
使用力传感器或应变计测量固体样品的受力情况；
记录实验数据，包括应力、变形等参数。

数据分析：
根据实验数据绘制相关曲线，如流速-压差曲线、应力-应变曲线等；
分析曲线之间的关系和趋势，评估单向流固耦合系统的性能；
利用统计方法对实验数据进行处理，得出有效的结论；
比较不同参数下实验结果的差异，找出影响系统行为的主要因素。

中国科学院流固耦合系统力学重点实验室

中国科学院流固耦合系统力学重点实验室Key Laboratory for Mechanics in Fluid Solid Coupling Systems Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences季报2019年第1期（总第17期）目录中科院流固耦合系统力学重点实验室现场评估工作顺利完成 (2)中科院流固耦合系统力学重点实验室召开2019年室务会 (3)中国航空学会空气动力学分会飞行载荷专业工作会在扬州召开 (6)圆柱阵列波浪力幅值的波动现象和预报公式 (8)轻质金属点阵圆柱壳结构制备与力学性能研究进展 (9)力学所提出一种大幅提升3D打印点阵结构力学性能的新方法 (11)雾化稠油掺稀降粘技术研究进展 (12)南海天然气水合物试采安全评价研究进展 (14)油气水多相流量计研究进展 (15)空化致板间液滴界面稳定性研究获得多个奖项 (16)空泡与柔性膜的流固耦合研究获得2019度中国力学大会优秀墙报奖. 18中科院流固耦合系统力学重点实验室现场评估工作顺利完成7月15日，中科院前沿科学与教育局、中科院重点实验室现场评估专家组一行14人莅临中科院力学所，对依托力学所建设的流固耦合系统力学重点实验室进行现场评估。

专家组组长顾逸东院士主持了评估会议并宣布了现场评估的议程安排。

力学所所长秦伟，党委书记、副所长刘桂菊，副所长魏宇杰，副所长尹明及流固耦合系统力学重点实验室学术委员会主任、实验室主任参加会议。

实验室主任黄晨光做实验室主任工作报告，围绕发展定位与研究方向、科研任务与代表性成果、队伍建设与人才培养、开放交流与运行管理等方面，向专家组汇报了评估期内的发展成果和工作成效。

杨国伟研究员、王展研究员分别做“高速列车气动设计与流固耦合动力学特性研究”和“极端海洋环境及其与工程结构的流固耦合理论”代表性成果报告。

专家组肯定了实验室取得的成绩以及工作亮点，并就汇报和自评估报告中的存疑事项进行了交流。

流固耦合数值方法研究概述与浅析

流固耦合数值方法研究概述与浅析流固耦合数值方法是研究流体与固体相互作用的数值计算方法，是流体力学和固体力学相结合的一门学科。

流固耦合现象广泛存在于自然界和工程实践中，如风对建筑物的作用、水力冲击和爆炸冲击对船舶和汽车的影响等。

流固耦合数值方法的研究可以帮助人们深入理解流体与固体相互作用的特性，为工程的设计和改进提供依据。

在流固耦合数值方法的研究中，首先需要建立流体和固体的数学模型。

对于流体来说，其通常是基于流体力学和传热学的基本方程，如Navier-Stokes方程、能量守恒方程等。

对于固体来说，其模型可以是弹性力学、塑性力学、断裂力学等。

在建立流体和固体的模型之后，需要考虑它们之间的相互作用，包括界面上的力和热交换等。

界面上的相互作用通常可以通过明确定义边界条件来实现。

然后，针对建立的数学模型，需要选择适当的数值方法进行计算。

对于流体和固体分别采用不同的数值方法进行求解，最后通过界面上的相互作用来实现流固耦合的计算。

对于流体的数值方法来说，通常选择基于有限体积法或有限元法的方法来离散化流体方程。

对于固体的数值方法来说，可以选择基于有限元法或有限差分法的方法来求解固体力学方程。

在流固耦合问题中，界面上的相互作用是一个关键问题，一般采用界面追踪技术或体积区域法来处理。

最后，流固耦合数值方法的研究还需要进行数值模拟和验证。

通过数值模拟可以得到流体和固体的场量分布，如速度场、压力场、位移场等，进一步分析流固耦合过程的特性。

同时，还需要通过实验或现有解析解进行验证，对数值方法的准确性和可靠性进行评估。

然而，流固耦合数值方法的研究也存在一些挑战和问题，如计算效率、数值稳定性和精度等。

流固耦合问题通常涉及到多个尺度和多个物理场的耦合，导致计算量较大。

数值稳定性是保证计算结果可靠性的基础，需要在数值方法的选择和参数设定上进行合理把握。

同时，流固耦合问题通常具有非线性和复杂的特性，使得数值方法的精度和收敛性成为一个难点。

流固耦合的数值模拟

流固相互作用的数值研究一．课题的来源及研究的目的和意义流－固相互作用（Fluid-Structure Interaction ）问题因其有着广泛的应用背景，近二十多年来一直是流体力学学者的研究热点。

流场与流场中的各种结构体（如建筑物、桥梁、桥墩、机翼、烟囱等等）之间的相互作用出现在各种实际问题中，如航天、化工、海岸工程、城市规划等众多的领域。

当流体流过结构体时会产生分离的现象，从而对结构体产生持续的作用力；同时在结构体的后部会有旋涡脱落的现象的产生，特别当结构体后部两侧交替产生的旋涡周期性的脱落会对结构体产生与来流方向垂直的周期性作用力。

持续和脉动的流体力的作用会使结构体产生疲劳、由于振动而产生噪声，严重时甚至会产生灾难性的破坏：2001年11月12日，美国航空公司的一架型号A300的飞机于纽约坠机，其原因就怀疑与此前起飞的一架B747有关，由B747形成的强力尾流使得起飞后的A300受到强烈的旋涡冲击而导致坠机；1940年11月7日，美国华盛顿州新启用的Tacoma大桥在一场风速达67km/h 的暴风雨中，由于大桥受到空气流经时产生的周期作用力与大桥的特征频率发生共振，使得大桥断裂。

由于流固的相互的作用引起的破坏还有很多，例如：高压电塔间的电缆线处于空气和雨水作用的流场中，流体在缆线表面产生流动作用，这种作用导致缆线表面形成自由剪切层，由于压力差的作用产生漩涡流动，缆线表面的力便会和惯性力、高压电塔作用力等相结合，再与缆线两端的阻尼力、恢复力产生作用，使缆线产生往复振动的现象，长久之后便导致结构疲劳而造成断裂[1]。

另外一方面，结构体同样会反过来影响流场的分布。

在城市规划以及建筑设计中，特别是在城市建设日益向高度化发展的今天，由于城市建筑物向高层、密集化发展，就会产生“城市街区峡谷”。

在“城市街区峡谷”中产生“城市急流”、“气流死区”，由此引发一系列的环境问题：比如在建成的街区内出现风口，或是局部风速过大，严重时将影响到行人以及附近建筑物；由于风速和风向的改变，在有火灾等紧急情况发生时会出现烟道效应，加速灾害的传递，增加灾害损失；局部街区可能出现流动迟滞现象，造成严重的局部空气污染。

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单向流固耦合实验报告

中国科学院流固耦合系统力学重点实验室

流固耦合数值方法研究概述与浅析

流固耦合的数值模拟

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