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基于OpenFOAM的管束流固耦合模拟与数据驱动建模

冯志鹏 张毅雄 黄旋 刘帅 齐欢欢 蔡逢春

冯志鹏, 张毅雄, 黄旋, 刘帅, 齐欢欢, 蔡逢春. 基于OpenFOAM的管束流固耦合模拟与数据驱动建模[J]. 核动力工程, 2022, 43(S2): 158-164. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.S2.0158
引用本文: 冯志鹏, 张毅雄, 黄旋, 刘帅, 齐欢欢, 蔡逢春. 基于OpenFOAM的管束流固耦合模拟与数据驱动建模[J]. 核动力工程, 2022, 43(S2): 158-164. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.S2.0158
Feng Zhipeng, Zhang Yixiong, Huang Xuan, Liu Shuai, Qi Huanhuan, Cai Fengchun. Fluid-structure Interaction Simulation and Data-driven Modeling of Tube Bundle Based on OpenFOAM[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(S2): 158-164. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.S2.0158
Citation: Feng Zhipeng, Zhang Yixiong, Huang Xuan, Liu Shuai, Qi Huanhuan, Cai Fengchun. Fluid-structure Interaction Simulation and Data-driven Modeling of Tube Bundle Based on OpenFOAM[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(S2): 158-164. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.S2.0158

基于OpenFOAM的管束流固耦合模拟与数据驱动建模

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.S2.0158
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51606180, 11872060, 11902315)
详细信息
    作者简介:

    冯志鹏(1986—),男,研究员级高级工程师,现从事流致振动研究工作,E-mail: fengzhipengchn@163.com

  • 中图分类号: O322

Fluid-structure Interaction Simulation and Data-driven Modeling of Tube Bundle Based on OpenFOAM

  • 摘要: 为实现开源工具OpenFOAM在管束流固耦合行为预测方面的应用,针对OpenFOAM缺乏大涡模拟验证的综合基准案例、缺乏基于OpenFOAM仿真数据的参数辨识方法和数据驱动建模方法问题,首先通过研究基准问题来定量比较OpenFOAM中大涡模拟的性能,重点讨论统计时间长度、计算域大小与形状、网格划分方式、壁面函数对结果的影响规律,并将数值结果与实验数据进行验证,获得了合理的流场分析模型;然后,将运动方程与流场计算相耦合,求解具有移动边界的非定常Navier-Stokes(uRANS)方程,实现管束的流固耦合仿真,成功捕捉到了管束的流固耦合特征,并以流管模型为例,实现了关键参数辨识和数据驱动建模。结果表明,大涡模拟中,达到统计收敛至少需180个漩涡脱落周期;升力、回流长度对网格分辨率较为敏感,漩涡脱落频率、圆柱表面压力对计算域较为敏感;对于尾流区的统计量分布,网格分辨率的影响更为显著;计算域形状的影响可以忽略;通过数据驱动建模方式计算的临界流速与实验值吻合较好。

     

  • 图  1  计算域示意图

    Figure  1.  Schematic Diagram of Computational Domain

    图  2  流体力系数的主要统计量随统计时间长度的变化

    T为漩涡脱落周期

    Figure  2.  Variation of Main Statistics of Fluid Force Coefficient with Statistical Time Length

    图  3  平均流动参数随网格的变化情况

    $ {\overline \theta _{\text{s}}} $—分离角;$ - {\overline C_{{\text{pb}}}} $—背压系数负值;$ {\overline u_{{\text{min}}}} $—尾流中心线上平均流向速度的最小值;$ {\overline L_{\text{r}}} $—回流长度。

    Figure  3.  Variation of Average Flow Parameters with Grid

    图  4  圆形计算域的网格

    Figure  4.  Grid of Circular Calculation Domain

    图  5  表面压力分布情况

    Figure  5.  Surface Pressure Distribution

    图  6  尾流中心线上的平均流向速度

    Figure  6.  Average Flow Velocity on Wake Centerline

    图  7  不同x/D截面上的$ \bar u/{U_0} $

    x—流向坐标;y—横流方向坐标图例说明:实验数据:—Lourenco 和 Shih;—Parnaudeau;数值结果:—网格 1;—网格 2;—网格 3;—网格 4 (图 8 图例同此)

    Figure  7.  $\bar u/{U_0} $ on Different x/D Sections

    图  8  不同x/D截面上的$ \overline {u'u'}/U^2 $

    Figure  8.  $ \overline {u'u'} /U^2$ on Different x/D Sections

    图  9  计算域

    Figure  9.  Calculation Domain

    图  10  临界流速预测结果与实验结果的对比

    Figure  10.  Comparison between Predicted and Experimental Results of Critical Velocity

    图  11  流管边界提取

    Figure  11.  Flow-cell Boundary Extraction

    图  12  稳定性预测

    Figure  12.  Stability Prediction

    表  1  网格细节

    Table  1.   Details of Grid

    网格LxLyNcNzNT/106
    网格120D10D316321.13
    网格220D10D316483.94
    网格340D20D316322.40
    网格440D20D316325.27
      Nc—圆柱周向网格数;Nz—展向网格数;NT—总网格单元数
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    表  2  壁面函数对结果的影响

    Table  2.   Effects of Wall Function on Results

    工况字典nut${\overline C_{\text{d} } }$$ {C_{{\text{d,Ku}}}} $$ {C_{{\text{lRMS}}}} $$ {C_{{\text{l,Ku}}}} $
    工况1nutkWallFunction1.014.240.0733.04
    工况2nutUWallFunction1.024.680.0813.21
    工况3nutUSpaldingWallFunction1.044.340.0903.60
    工况4fixedValue 1e-101.023.880.0813.30
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    表  3  计算域形状的影响

    Table  3.   Effects of Calculation Domain Type

    计算域形状${\overline C_{\text{d} } }$$ {C_{{\text{d,Ku}}}} $$ {C_{{\text{lRMS}}}} $St$ {C_{{\text{l,Ku}}}} $
    矩形域1.014.240.0730.213.04
    圆形域0.984.510.0830.213.35
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-20
  • 修回日期:  2022-09-26
  • 刊出日期:  2022-12-31

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