多场耦合下双层管流场的数值仿真

【摘要】为了研究双层管在流体运输过程中的力学性能变化,本文基于多物理场耦合程序MpCCI,联立结构场分析软件ABAQUS和流场计算软件Fluent,采用压力基耦合隐式求解器结合k-epsilion湍流模型,对双层管的力学性能变化进行了流固耦合、流固热耦合数值仿真。结果表明：在流场和结构场两个物理场的共同作用下,双层管的力学性能随着流体的流动发生了明显地变化,如流体的冲击力会显著地改变内层管道的物理性能,使得内层管道在冲击力作用下产生径向向外的膨胀力,由于外层管道的束缚,使得内层管道的膨胀力在外层管道与内层管道交界的地方发生明显地削弱；同样在流场、结构场和温度场三个物理场的共同作用下,内层管道在基于流固耦合两个物理场的基础上,随着温度场的施加,内层管道向外的膨胀力明显地增大,也随着温度场的继续作用,外层管道和内层管道之间交界的地方膨胀力也明显地增大,外层管道在受到内层管道膨胀力的作用下,外层管道的力学性能相对于流固耦合两个物理场作用下力学性能明显增大。比较两种类型的流固热耦合发现,双层管内外管壁都有温度场的力学性能指标比仅内管壁有温度场的力学性能指标大,这说明双层管上温度场作用位置的不同对双层管力学性能的影响是很大的。由此表明温度场对双层管力学性能的影响是不容忽视的,这也使得我们在研究双层管的时候不得不考虑温度场的共同影响作用。同时在基于多物理场耦合的复杂工况下,对双层管入口的速度边界条件进行了改变,即也就是通过UDF对双层管入口的速度进行更为复杂地改变,然后对其进行流固热耦合分析计算。通过对结果的分析发现,改变双层管入口的速度边界条件,双层管的力学性能会随着入口速度的变化而相应的变化。但是与温度场对双层管力学性能的影响相比,这种改变速度边界条件对双层管力学性能的影响较小。本文通过对双层管进行了多种工况下的多场耦合分析,对比耦合分析的计算结果,验证了采用协同耦合仿真的有限元分析方法来研究双层管的多物理场耦合问题的方法是可行的,并可为实际工程中实验成本高、不能可视化的多物理场耦合问题的解决提供一些参考。
【作者】郭德昌；
【导师】李旭东；
【作者基本信息】兰州理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】数值仿真；流固耦合；耦合界面；多物理场耦合；UDF；

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