Page 245 - 《振动工程学报》2026年第5期

第 5 期 麦耘翔，等：外流与段塞内流联合作用下弹性管流致振动特性研究 1449

文仿真计算参考了 CHATJIGEORGIOU [20] 的段塞流 式中，Re 为雷诺数。图 2(b) 为内流域的网格拓扑图，
模型进行设置。边界条件设定如下：左侧为速度入 采用精密的多面体和棱柱层网格，并通过定向网格
口，右侧为压力出口，上、下两面采用对称平面，管 技术沿管轴向均匀拉伸，使得 y ＜1，符合计算要求。
+
体与流体接触面为无滑移壁面边界。弹性管采用 基于该网格拓扑结构建立的仿真计算模型的总网格
A 端固定、B 端铰接的约束方式，同时在其 B 端施加 量为 736 万，网格单元质量平均值为 0.95，网格单元
轴向（+Y 方向）恒定的顶张力 817 N。在内流域中， 偏斜角均小于 60°，体积变化率大于 0.1，满足开展高
出口处采用压力出口边界条件。并通过设置场函数 质量数值计算的基本要求。
建 立 周 期 性 变 化 的 入 口 条 件， 使 水 -气 两 相 以 周 期
T=2 s 交替流入，两者流速相同但各自流入的时间占
比不同，从而模拟实际工况中弹性管内气液混合流
动的相变特性。由于段塞流的流动机制较为复杂， z
y
为简化计算模型并聚焦于气液比对流动特性的影 o x
响，本研究暂未考虑相间滑移速度、界面张力等因 (a) 流体域网格 (b) 内流域网格
素，仅针对气液比的变化进行系统性分析。 (a) Mesh topology of fluid domain (b) Mesh topology of inner
fluid domain

1.2 网格划分与无关性验证 图 2 流体域和内流域的网格拓扑结构
Fig. 2 Mesh topology of fluid and inner fluid domains
网格拓扑结构与密度对数值计算结果影响显
著，为确保后续仿真计算的准确性，先选取一段与后 在前期数值仿真研究 [23] 中，已经验证过 LES 模
续仿真长管有效外径相同的刚性圆柱体，对其开展 型可用于实施细长弹性管的流-固耦合数值仿真问
网 格 无 关 性 验 证 。 该 刚 性 圆 柱体 D=20 mm， 长 度 题。在受到外部剪切流 [24] 和强迫振荡流 [25] 的条件
L=πD，以圆周向节点数 N C 、时间步长作为控制参量， 下，LES 模型均能有效捕捉复杂的流动特性，且较其
选取四种不同的网格密度，三个特征时间步长进行 他模型更好地与试验数据相吻合 [26] 。鉴于该模型对
测算。采集升、阻力系数幅值稳定后的时域数据， 处理非线型细长结构物数值计算的适用性，本文后
以 阻 力 系 数 均值 C D_mean 、 阻 力 系 数 均 方 根 值 C D_RMS 续也将采用 LES 模型开展相关仿真工作。通过严格
+
以及升力系数均方根值 C L_RM 作为评判标准参数 [21] ， 控制 y ＜1，并采用较精细化的网格拓扑结构，以确
S
结果如表 2 所示。 保计算收敛要求。
模型运行时间步累计约 10 s 后，振动趋于稳定，
表 2 网格无关性验证结果
此时开始采集位移、内/外流体力的压力与剪切力、
Tab. 2 Test results associated with mesh independency
内流力等相关时程数据。运行时间步累计至 60 s 终
控制参数 评判标准参数
方案 止计算，在 192 核服务器上计算时间约需 70 h。

时间步长/s
N C C D_mean C D_RMS C L_RMS
1 40 0.01 0.902 0.903 0.379 1.3 数值方法可靠性验证
2 60 0.005 0.809 0.811 0.268
在开展数值计算之前，本文选用 [17, 27] 开展
3 80 0.005 0.812 0.815 0.215 LEHN
4 100 0.0025 0.805 0.808 0.211 的黄铜管试验模型相关的试验数据进行数值方法的

可靠性验证。采用均匀流 V uni =0.20 m/s 工况的 RMS A/D
由表 2 可知，方案 3 和方案 4 的算例计算结果非
的数据作对比分析。如图 3(a) 所示，在横流向上计
常接近，C D_mean 、C D_RM 和 S C L_RM 的最大误差仅为 2 %，
S
算得出的管体均方根振动幅值 RMS A/D（A 为瞬时振
不过方案 4 网格量约为方案 3 的 1.5 倍，且计算时长
幅）沿管轴方向 l/L（l 和 L 分别为计算位置的长度和
约为方案 3 的 4 倍，故本文后续均采用方案 3 的网格
管长）与试验原始数据趋势吻合较好，证实了仿真结
拓扑结构与尺寸开展相关仿真工作。流体域网格拓
果与试验数据之间具有良好的对应关系。为进一步
扑结构与尺寸详见图 2(a)。其外流域采用多面体网
验证流场计算所采用方法的有效性，选取 V uni =0.2 m/s
格划分技术，为保证计算精度并节约计算成本，对靠
对应的振动频谱进行验证，如图 3(b) 所示。结果表
近管体区域的网格进行局部加密，远离管体结构的
明，主振频率值、谱峰值与试验数据吻合较好。综
区域则采用较为稀疏的网格，弹性管近壁面采用棱
柱层网格结构；严格控制第一层网格尺寸∆x，确保 上所述，可以采用该数值模拟方法对外流与段塞内
流联合作用下的弹性管实施流致振动特性分析。本
+
y ＜1，其计算公式 [22] 如下：
∆x 文基于该流-固耦合方案实现的技术路线流程如图 4
+
y = 0.172 Re 0.9 （1）
D 所示。