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基于切片原理及浸入边界法的涡激振动数值模拟方法

涡激振动；流固耦合；切片原理；浸入边界法；数值模拟

计算流体力学、多场耦合、生物力学、动力学等 > 计算流体力学

涡激振动问题广泛存在于各工程领域中。目前，对涡激振动问题的精确数值模拟由于移动边界及流固耦合问题的存在仍然极具挑战。尤其在三维涡激振动问题中，由于振动结构通常具有较大的轴向尺度，要实现整个流场的三维计算对计算机的要求极高，数值模拟相当困难。本文基于切片原理，建立了一种涡激振动问题的流固耦合迭代数值求解模型，针对三维涡激振动的计算需求高的问题，沿振动管线结构轴向选取若干切片，在每个切片上局部求解流场，将三维问题转化为二维平面模型，结构所受的流体力即由各计算切片上的流体力插值得到。采用浸入边界方法处理切片上振动结构边界的移动问题，并在Navier-Stokes方程中添加附加体力项以体现流固之间的相互作用，在同一时间步内进行多次迭代求解直至收敛以实现流体与固体之间的强耦合作用。本文方法在考虑到结构涡激振动三维效应的同时，能够有效缩短计算耗时，降低计算的难度与规模。为验证本文方法的准确性与有效性，通过具体算例的实施，与前人数值计算所得结果展开对比，进一步证明了本文方法对三维涡激振动问题的适用性。