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1、第18卷第2期济南大学学报(自然科学版)Vol.18No.22004年6月JOURNALOFJINANUNIVERSITY(Sci.&Tech1)Jun.2004文章编号:1671-3559(2004)02-0123-04流固耦合应用研究进展郭术义,陈举华(山东大学机械工程学院,山东济南250061)摘要:流固耦合力学是一门新兴学科。本文简要介绍了该阿拉伯输油管道振动的分析[1]。管道在众多的工业学科的典型应用进展情况,总结了各种研究中的典型方程、领域中应用十分广泛,作用极其重要。但是,在管道数值解法,展望了
2、进一步发展的趋势。内流体流动状态的微弱变化往往引起在工作过程中关键词:流固耦合;数值模拟;展望的湍振现象,诱发流体、管道之间的耦合振动,动力中图分类号:O35112;O34717文献标识码:A学行为相当复杂。这使得人们很早就开始了这方面[2]的研究,PaidoussisMP是其中最具有代表性的。流固耦合力学是一门比较新的力学边缘分支,输流管道的振动问题之所以能引起学者的兴趣,除是流体力学与固体力学二者相互交叉而生成的。它因为该问题的广泛工业背景和现实意义之外,还因的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固为
3、输流管道虽然是最简单的流固耦合系统,但它却体变形或运动对流场的影响。流固耦合力学的重要涉及了流固耦合的大多数问题,并且它的物理模型特征是两相介质之间的相互作用:固体在流体动载简单,系统比较容易实现,因而便于理论与试验的相荷作用下产生变形或运动,而固体的变形或运动又互协同。反过来影响到流场,从而改变流体载荷的分布和大考虑因素侧重面的不同,输液管道非线性运动小。总体上,流固耦合问题按耦合机理可分为两大[3-5]方程有几种类型,它们之间有一定的差别。它类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两们的基本假设都是:
4、流体无粘且不可压;管道作为梁相交界面上,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡模型来处理;管道只是在平面内振动。尽管输流管及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分道的非线性动力问题受到50多年极为广泛的研究,或全部重叠在一起,耦合效用通过描述问题的微分但至今尚没有一个公认的模型。文[6]建立的4个方程来实现。本文就流固耦合问题的两大分类中三独立变量(轴向位移、横向位移、流速和压力)的全耦种基本情况进行了讨论。合模型(耦合形式包含摩擦耦合、Poisson耦合、结合1流固耦合典型应用部耦合以及管道轴向和横向运动的
5、耦合)在众多的非线性分析模型中是一个较为完整的模型。流固耦合作用的研究在航空、航天、水利、建筑、2m¨u+mf[υÛf(1+u′)+2υfÛu′+υfu″+ωÛυ′f]+ÛP(υf+石油、化工、海洋以及生物领域都有着十分重要的意22Ûu)/cF-[(1-2υ)P(1+u′)]′+4fρρf′·υf/DK-gmf义。如液体晃动对火箭飞行稳定性的影响,大型贮(1-2υ)(1+u′)ω′-EI(7ω″ωÊ+ω′ωÊ)-EAp(2u″液管在地震激励作用下产生的流固耦合作用,液体+6u′u″+2ω′ω″)/2=0(1)
6、湍振对输液管道的影响。本文就如下三个大方面进22mω¨+mf[υÛf(1+ω′)+2υωfÛ′+υfu″+ω″υf]+ÛP(υf+行了总结。2ωÛ)/cF-[(1-2υ)Pω′]′-gm+EIω″″-EI(uÊ′ω′+1.1输流管道流固耦合6u″ωÊ+4u′ωÊ′)-EAp(u″ω′+u′ω″)=0(2)流体引起输流管道振动的研究最初来源于横跨2ÛP/cF+mf[(1-2υ)(Ûu+υf)u″-Ûu′+υ′f]-mf(1-2υ)(Ûu′+u′Ûu′+ω′ωÛ′)=0(3)收稿日期:2003-12-03基金项目
7、2:山东省科学技术发展计划资助项目(012050107);山P′+mf(¨u+υÛf)+mωf¨ω′+gmfω′+Dfρυff/2=0(4)东省自然科学基金资助项目(Y2002F19)随着对输流管道问题研究的深入,各种不同的作者简介:郭术义(1971-),男,山东济南人,山东大学机械工程学院博士研究生。分析计算方法也相继被提出。其中有限元法(FEM)124济南大学学报(自然科学版)第18卷是应用最为广泛的一种数值方法。文[7]用FEM法件通常都是用于结构分析的,在流固耦合分析方面,求得了载流在流速超过临界流速
8、之后的振幅、主频尤其是当流体具有较大自由表面,且考虑可压缩性率和振形,所得结果和试验结果吻合较好。传递矩时,就很难用这些通用软件进行精确的分析。阵法(TMM)在振动工程中一直是一种行之有效的方由于流固耦合系统的复杂性,其求解主要立足法。与FEM相比,其传递矩阵维数不随单元的增加于数值分析。起初人们自然想到的是用位移法结构而增加,恒保持为7维,这正是它的优越性所在。最分析的通用程序来求解耦合问题,不同
