流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算及湿模态分析

湿模态的概念

通常我们所说的结构模态，都是在真空中的结构模态，不考虑周围流体的影响下的模态，这种模态可以称为“干模态”，即不受流体影响的模态。

而实际中，我们通常计算的结构都是被流体“包围”着，例如在空气中行驶的汽车，周围被空气包围着，在水中行驶的船，周围被水包围着，或者部分被水包围着。

在不考虑车身周围的空气的影响下，我们计算的车身模态都是干模态，因为空气的密度比较小，空气对车身模态的影响比较小，我们可以把车身的干模态当成车身在空气中的湿模态，即忽略空气的影响，误差也不会太大。

而在水中行驶的船，由于水的密度比较大，水对结构模态的影响比较大，如果忽略水的影响，那么计算出来的模态(干模态)就与实际的船的模态误差就很大，此时就必须考虑水的影响，计算湿模态。

湿模态分析实际上是在单向流固耦合计算基础上进行的预应力模态分析。本文以流体作用下弯曲管道为例，首先利用ANSYS Fluent及ANSYS静力分析模块对其进行单向流固耦合计算，然后在此基础上开展弯曲管道在流体作用下振动模态分析。

单向流固耦合计算

工业管道系统中经常出现弯管。流体介质流经弯曲管道时，管壁承受流体赋予的压力，不均匀的压力分布会对管道产生额外的应力。

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计算思路

众所周知，CFD计算的目的是为了获取计算空间中的压力、速度、温度等物理量分布，而结构有限元计算的目的是为了获取结构件上应力、应变和位移等物理物理量。单向流固耦合计算的基本思路为：利用CFD软件计算壁面上压力分布，并将压力值作为载荷加载到固体构件上，利用有限元软件计算固体应力应变。

单向流固耦合计算的数据流程如图1所示。

图1 数据流程

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计算模型

计算几何模型如图所示。

图2 计算几何模型

图3 DM中创建的几何模型(既包含流体，也包含固体)

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流体计算设置

双击B3单元格进行流体网格划分。在mesh中进行边界命名，如图4所示。采用扫描方式进行网格划分，采用网格尺寸为5mm，生成的流体计算网格如图5所示。

图4 边界命名

图5 流体计算网格

返回至FLUENT中进行流体计算设置。

图6 采用压力基求解器

图7 采用Realizable k-e湍流模型

图8 选择water-liquid为工作介质

图9 设置计算域中材料介质为water-liquid

图10 设置入口速度2m/s

图11 设置出口类型为outflow

图12 初始化设置

图13 设置迭代200步求解计算

图14 壁面压力分布

图15 切面上速度分布

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固体计算设置

返回至工程面板，双击C3单元格进入固体网格设置模块。

网格划分过程此处不详述，需要注意的是，尽量保证固体网格与流体网格尺寸相当。生成网格如图16所示。

图16 固体计算网格

图17 插入压力

按几何对应关系插入流体压力。

设置管道两头为固定约束，如图18所示，进行求解计算。

图18 约束定义

图19 应力分布

模态分析

湿模态分析实际上是在单向流固耦合计算基础上进行的预应力模态分析。下面来介绍一下弯曲管道在流体作用下振动模态分析。

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干模态计算

先考虑干模态分析(不考虑流体在管道中的流动)。计算流场如图20所示。去掉以上流体计算，只利用固体计算网格。

图20 模态计算

双击C5单元格进入模态分析模块。点击Modal节点下Analysis Settings子节点，在下方的属性栏设置框中设置Max Models to Find为6，寻找模型的6阶模态。如图21所示。

图21 设置模态阶数

计算得到各阶频率如图22所示。

图22 各阶频率

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湿模态计算

数据流程如图23所示。

图23 湿模态数据流程

计算模型：鼠标双击D5单元格进入模态分析设置。

如图24所示，点击Static Structural，在下方属性栏设置中选择Large Deflection为On，开启大变形设置，这样才能在计算模态过程中考虑到力的作用。

图24 开启大变形

从图25所示可以看出，软件自动设置为预应力模态分析。

图25 模型树菜单

点击Modal树菜单下节点Analysis Settings，在属性框中进行如图26所示设置。

图26 设置模态搜索参数

进行求解计算，计算结果如图27所示，可以看到每一阶的频率。

图27 模态计算结果

可以选择所有的模态频率，点击右键，选择菜单Create Mode Shape Results，如图28所示查看各阶振型。

图28 模态计算结果

各阶振型如下图所示。

图29 各阶模态振型

本文中的算例综合自CAENET技术中心频道的两篇文章《流体作用下弯曲管道应力分析》《流体作用下弯曲管道湿模态分析》，作者：faee0。