流固耦合力學專題序

徐萬海 賴 姜 馬燁璇

* (天津大學水利工程智能建設與運維全國重點實驗室,天津 300072)

? (電子科技大學航空航天學院,成都 611731)

** (中國科學院力學研究所,北京 100190)

流固耦合力學是流體力學與固體力學交叉而成的力學分支,以兩相介質之間的相互作用為重要特征,研究可變形固體在流場作用下的行為及固體變形對流場影響的相互作用.流固耦合現(xiàn)象存在于海洋工程、航空航天、石油化工、核能工程、土木工程等幾乎所有涉及國計民生的重大領域中,并會誘發(fā)結構靜發(fā)散、載荷重新分布、顫振、極限環(huán)振蕩及渦激振動等諸多工程問題.近年來,復雜工程場景下流固耦合問題的力學作用機理、數(shù)值模擬方法、實驗觀測技術取得了突破性進展,從而促進了國產(chǎn)航母、深海潛器、“深海一號”能源站、大型客機、超音速飛行器、“華龍一號”核電機組等一大批國之重器的研制,助力國家“制造強國”戰(zhàn)略目標實現(xiàn).

為了總結和傳播流固耦合力學相關的新理論、新方法和新技術,《力學學報》組織了“流固耦合力學”這一專題,該專題包含了 1 篇綜述論文和 14 篇研究論文,旨在反映我國科技人員在流固耦合力學問題上的最新研究進展,以促進學術交流,供同行學者和技術人員參考.

在可再生能源領域中,研究人員發(fā)現(xiàn)可以利用結構物的流激振動進行潮流能發(fā)電.天津大學徐萬海等回顧了關于柱體流激振動能量俘獲的研究工作,全面闡述了多種截面形式的單個柱體、柱群結構流激振動能量俘獲理論與技術方面的研究進展.對于單個柱體流激振動能量俘獲,已基本明確了來流攻角、系統(tǒng)質量比、系統(tǒng)阻尼、系統(tǒng)剛度和雷諾數(shù)等條件下柱體的流激振動作用機理和能量俘獲能力;對于柱群的流激振動能量俘獲,各柱體振子之間存在流場干涉,需合理設計柱體排布形式、柱體間距和系統(tǒng)阻尼等參數(shù),實現(xiàn)流體能量俘獲最大化.交通運輸部天津水運工程科學研究院金瑞佳等對四種不同質量比D 形截面柱體的流致振動進行了數(shù)值模擬,分別對不同約化速度下的D 形截面柱體的振幅、頻率、平衡位置偏移量、尾渦脫落形態(tài)及能量轉化效率等進行了對比分析,成果可為利用渦激振動進行海流能收集的VIVACE 裝置振子選型提供參考.

在海洋資源開發(fā)過程中,海洋管道扮演著“生命線”的角色,流激振動導致海洋管道存在巨大安全隱患.數(shù)千米深水海域中,外部海流時空變化難測,管道內(nèi)部輸運非穩(wěn)態(tài)內(nèi)流,結構響應的局部時頻特性迥然有別,管道整體動力學行為呈現(xiàn)多模態(tài)、寬頻率等非線性特征;多根海洋管道相互干涉,增強了流場不穩(wěn)定性,誘發(fā)結構產(chǎn)出現(xiàn)尾流激振、馳振、顫振等非穩(wěn)態(tài)動力行為.中國石油大學 (華東)劉秀全等建立了深水隔水管-水下井口耦合系統(tǒng)的順流向和橫流向渦激振動預測模型,將管-土作用的時變非線性土體抗力轉化為時變土體等效剛度,采用 Newmark-β 法與龍格庫塔法進行數(shù)值求解,探討了管-土耦合作用及環(huán)境因素對深水隔水管-水下井口系統(tǒng)渦激振動的影響機制.西南石油大學朱紅鈞等基于自循環(huán)水槽開展了懸鏈線立管渦激振動實驗,立管的長徑比為125,約化速度范圍為4.40～39.33，利用激光位移傳感器和高速攝像機分別監(jiān)測了平臺運動和立管振動,從響應頻率、振幅和振動形態(tài)等方面重點研究了平臺運動對立管振動的影響.近期，深海礦產(chǎn)資源開發(fā)如火如荼，礦物輸送管道的流固耦合問題也得到了廣泛關注.哈爾濱工業(yè)大學(威海)高云等采用能量法和哈密頓變分原理,建立了固-液兩相內(nèi)流激勵下懸臂管道的動力學方程,基于Galerkin 方法對方程進行離散,根據(jù)特征值法和Newton-Raphson 迭代法對礦物輸送管道的穩(wěn)定性特征進行數(shù)值求解.上海交通大學朱宏博等通過CFD-DEM 方法,對豎直礦物輸送管道在強迫振動作用下不同粒徑、不同振幅和振動頻率以及不同進料濃度的固液兩相流的特性開展了系統(tǒng)研究.中國科學院力學研究所周濟福等基于顆粒運動方程和軟球碰撞模型,對橫向振動礦物輸送立管中的單顆粒運動特性開展了數(shù)值研究,討論了顆粒與立管碰撞的發(fā)生條件,分析了顆粒運動的垂向速度、相對于立管的橫向速度隨立管振動參數(shù)、顆粒與立管內(nèi)流體密度比等的變化規(guī)律.上海交通大學肖盛鵬等針對彎曲管道壓降和磨損率,探究了彎曲角度、彎曲半徑、輸入速度、顆粒直徑和顆粒濃度等因素的影響,通過 Pairwise 配對法進行工況組合并進行數(shù)值模擬計算,得到大量可用數(shù)據(jù),開發(fā)了6 個機器學習模型.

在航空航天工程中,飛行器的氣動彈性振動問題就是典型的流固耦合力學問題.北京航空航天大學黃廣靖等針對 NACA0012 翼型大幅俯仰運動氣動力預測問題,發(fā)展了由嵌入門限循環(huán)單元或長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡單元的分支網(wǎng)絡和主干網(wǎng)絡組成的深度算子神經(jīng)網(wǎng)絡結構,通過給定大幅俯仰運動下的動態(tài)失速CFD 氣動力數(shù)據(jù),對深度算子神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù)進行訓練,建立了高精度動態(tài)失速氣動力的數(shù)據(jù)驅動模型.將數(shù)據(jù)驅動模型與結構動力學方程耦合,采用數(shù)值積分方法預測了失速顫振的失穩(wěn)分岔速度和不同速度下的極限環(huán)振蕩特性.壓氣機轉子葉片非同步振動是近年來發(fā)現(xiàn)的一類新的氣動彈性問題,表現(xiàn)為葉片振動頻率與轉頻不同步且具有鎖頻現(xiàn)象,嚴重影響航空發(fā)動機的可靠性和運行安全.上海交通大學陳勇等基于時間推進的方法,建立了多級壓氣機轉子葉片全環(huán)的雙向流固耦合模型,數(shù)值研究了剛性葉片與非同步振動柔性葉片的非定常流場、氣流激勵頻率和結構響應特征,揭示了壓氣機轉子葉片非同步振動的流固耦合機制.

在核能工程領域中,高速離心機是關鍵技術裝備,廣泛應用于提純放射性乏燃料,對于提高乏燃料利用率、降低核廢料污染以及保障核電可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義.在一定條件下當充液轉子發(fā)生擾動時,腔內(nèi)旋轉液體被激起擾動運動,二者發(fā)生耦合,誘發(fā)轉子自激失穩(wěn).北京化工大學王維民等探究了充液離心機轉子的流固耦合機理及減振措施,推導了擾動形式的納維-斯托克斯方程,得到了壁面處的流體壓強與流體剪切力,將液體等效主剛度系數(shù)及交叉剛度系數(shù)與轉子動力學方程耦合,采用狀態(tài)空間法降階求解動力學方程的阻尼衰減指數(shù)和渦動頻率.研究發(fā)現(xiàn)充液轉子的穩(wěn)定性是轉子系統(tǒng)的阻尼、剛度、充液比和流體黏性等多參數(shù)作用的結果.流激振動是造成燃料棒包殼微動磨損最主要的原因之一,在核能工程中需時刻注意.中山大學姜乃斌等基于ANSYS-APDL 建立了帶格架的EPR 燃料棒的多跨連續(xù)簡支梁模型,系統(tǒng)地研究了格架失效對EPR 燃料棒頻率、模態(tài)的影響,基于全階模型的樣本數(shù)據(jù)形成快照 (snapshots) 矩陣,利用本征正交分解方法搭建了降階模型,對模態(tài)、湍流響應快速重構.

在土木工程領域中,如大跨度橋梁結構的纜索系統(tǒng)等圓柱結構在風載荷作用下,多圓柱結構之間會發(fā)生復雜的耦合干涉作用,產(chǎn)生比單圓柱結構更為復雜的流激振動響應,如下游圓柱所誘發(fā)的尾流激振,尾流馳振等.上海交通大學王嘉松等通過風洞實驗,研究了正方形布置四圓柱的流激振動.基于對振動幅值、渦脫頻率、振動頻率等分析討論,充分認識了大質量比條件下正方形布置四圓柱的干涉特性.飽和黏土地基的固結沉降是影響土木工程建設和結構安全服役的重要問題.蘭州交通大學王立安等探索了載荷變化和土骨架流變耦合作用下飽和黏土地基的固結特性,基于Biot 多孔介質理論,利用分數(shù)階Kelvin 模型描述土骨架流變效應,構建了時變載荷作用下飽和黏土地基的三維軸對稱固結模型,采用 Hankel-Laplace 聯(lián)合變換和張量運算推導了控制方程的變換域解析解,利用數(shù)值反演得出了時空域解.分析了三種時變載荷作用下飽和黏土地基的流變固結行為和參數(shù)影響規(guī)律.

在醫(yī)藥工程領域中,特別地對于輸送藥物的新型醫(yī)療器械來說,將流體器械設計成管狀結構是一種潛在方案.磁調控下的微創(chuàng)手術、藥物輸送等所采用的硬磁軟材料管道,其兩端邊界條件比較復雜,可能是時變的,故不可簡單地視為懸臂邊界條件,因此,深入探討兩端支撐條件下輸流管道的磁調控原理具有重要意義.華中科技大學王琳等基于 Hamilton 原理,建立了磁調控下硬磁軟材料輸流管道的動力學模型,推導了鉸支-可滑動鉸支邊界條件下輸流管道的控制方程.在Galerkin 方法離散的基礎上,對輸流管系統(tǒng)進行了穩(wěn)定性分析.建立的硬磁軟材料輸流管的非線性模型為預測軟材料輸流管的動力學行為提供了理論基礎,也為輸流管的磁調控提供了思路.

綜上所述,盡管流固耦合力學問題經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已經(jīng)相對完善,但要真正解決流固耦合問題必須結合流體力學與固體結構分析中的各種方法與手段.急需我國力學科研工作者不斷地深入到各個應用領域中,持續(xù)投入并開展創(chuàng)新性的基礎理論研究與關鍵技術突破,將流固耦合力學研究提升到更高的水平.特此感謝《力學學報》編輯部對流固耦合力學問題的關注以及對本專題的支持! 也特別感謝所有論文作者以及審稿專家對本專題出版的重要貢獻和大力支持!