流固耦合力學(xué)專題序

徐萬(wàn)海 賴 姜 馬燁璇

* (天津大學(xué)水利工程智能建設(shè)與運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

? (電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院,成都 611731)

** (中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所,北京 100190)

流固耦合力學(xué)是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉而成的力學(xué)分支,以兩相介質(zhì)之間的相互作用為重要特征,研究可變形固體在流場(chǎng)作用下的行為及固體變形對(duì)流場(chǎng)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(guó)計(jì)民生的重大領(lǐng)域中,并會(huì)誘發(fā)結(jié)構(gòu)靜發(fā)散、載荷重新分布、顫振、極限環(huán)振蕩及渦激振動(dòng)等諸多工程問(wèn)題.近年來(lái),復(fù)雜工程場(chǎng)景下流固耦合問(wèn)題的力學(xué)作用機(jī)理、數(shù)值模擬方法、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)技術(shù)取得了突破性進(jìn)展,從而促進(jìn)了國(guó)產(chǎn)航母、深海潛器、“深海一號(hào)”能源站、大型客機(jī)、超音速飛行器、“華龍一號(hào)”核電機(jī)組等一大批國(guó)之重器的研制,助力國(guó)家“制造強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn).

為了總結(jié)和傳播流固耦合力學(xué)相關(guān)的新理論、新方法和新技術(shù),《力學(xué)學(xué)報(bào)》組織了“流固耦合力學(xué)”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(guó)科技人員在流固耦合力學(xué)問(wèn)題上的最新研究進(jìn)展,以促進(jìn)學(xué)術(shù)交流,供同行學(xué)者和技術(shù)人員參考.

在可再生能源領(lǐng)域中,研究人員發(fā)現(xiàn)可以利用結(jié)構(gòu)物的流激振動(dòng)進(jìn)行潮流能發(fā)電.天津大學(xué)徐萬(wàn)海等回顧了關(guān)于柱體流激振動(dòng)能量俘獲的研究工作,全面闡述了多種截面形式的單個(gè)柱體、柱群結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)能量俘獲理論與技術(shù)方面的研究進(jìn)展.對(duì)于單個(gè)柱體流激振動(dòng)能量俘獲,已基本明確了來(lái)流攻角、系統(tǒng)質(zhì)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(dòng)作用機(jī)理和能量俘獲能力;對(duì)于柱群的流激振動(dòng)能量俘獲,各柱體振子之間存在流場(chǎng)干涉,需合理設(shè)計(jì)柱體排布形式、柱體間距和系統(tǒng)阻尼等參數(shù),實(shí)現(xiàn)流體能量俘獲最大化.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院金瑞佳等對(duì)四種不同質(zhì)量比D 形截面柱體的流致振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分別對(duì)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(zhuǎn)化效率等進(jìn)行了對(duì)比分析,成果可為利用渦激振動(dòng)進(jìn)行海流能收集的VIVACE 裝置振子選型提供參考.

在海洋資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中,海洋管道扮演著“生命線”的角色,流激振動(dòng)導(dǎo)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(shí)空變化難測(cè),管道內(nèi)部輸運(yùn)非穩(wěn)態(tài)內(nèi)流,結(jié)構(gòu)響應(yīng)的局部時(shí)頻特性迥然有別,管道整體動(dòng)力學(xué)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(qiáng)了流場(chǎng)不穩(wěn)定性,誘發(fā)結(jié)構(gòu)產(chǎn)出現(xiàn)尾流激振、馳振、顫振等非穩(wěn)態(tài)動(dòng)力行為.中國(guó)石油大學(xué) (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(dòng)預(yù)測(cè)模型,將管-土作用的時(shí)變非線性土體抗力轉(zhuǎn)化為時(shí)變土體等效剛度,采用 Newmark-β 法與龍格庫(kù)塔法進(jìn)行數(shù)值求解,探討了管-土耦合作用及環(huán)境因素對(duì)深水隔水管-水下井口系統(tǒng)渦激振動(dòng)的影響機(jī)制.西南石油大學(xué)朱紅鈞等基于自循環(huán)水槽開(kāi)展了懸鏈線立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn),立管的長(zhǎng)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(jī)分別監(jiān)測(cè)了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和立管振動(dòng),從響應(yīng)頻率、振幅和振動(dòng)形態(tài)等方面重點(diǎn)研究了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)立管振動(dòng)的影響.近期，深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)如火如荼，礦物輸送管道的流固耦合問(wèn)題也得到了廣泛關(guān)注.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(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(lì)下懸臂管道的動(dòng)力學(xué)方程,基于Galerkin 方法對(duì)方程進(jìn)行離散,根據(jù)特征值法和Newton-Raphson 迭代法對(duì)礦物輸送管道的穩(wěn)定性特征進(jìn)行數(shù)值求解.上海交通大學(xué)朱宏博等通過(guò)CFD-DEM 方法,對(duì)豎直礦物輸送管道在強(qiáng)迫振動(dòng)作用下不同粒徑、不同振幅和振動(dòng)頻率以及不同進(jìn)料濃度的固液兩相流的特性開(kāi)展了系統(tǒng)研究.中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所周濟(jì)福等基于顆粒運(yùn)動(dòng)方程和軟球碰撞模型,對(duì)橫向振動(dòng)礦物輸送立管中的單顆粒運(yùn)動(dòng)特性開(kāi)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(yùn)動(dòng)的垂向速度、相對(duì)于立管的橫向速度隨立管振動(dòng)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(xué)肖盛鵬等針對(duì)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(guò) Pairwise 配對(duì)法進(jìn)行工況組合并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,得到大量可用數(shù)據(jù),開(kāi)發(fā)了6 個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型.

在航空航天工程中,飛行器的氣動(dòng)彈性振動(dòng)問(wèn)題就是典型的流固耦合力學(xué)問(wèn)題.北京航空航天大學(xué)黃廣靖等針對(duì) NACA0012 翼型大幅俯仰運(yùn)動(dòng)氣動(dòng)力預(yù)測(cè)問(wèn)題,發(fā)展了由嵌入門限循環(huán)單元或長(zhǎng)短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元的分支網(wǎng)絡(luò)和主干網(wǎng)絡(luò)組成的深度算子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),通過(guò)給定大幅俯仰運(yùn)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)失速CFD 氣動(dòng)力數(shù)據(jù),對(duì)深度算子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練,建立了高精度動(dòng)態(tài)失速氣動(dòng)力的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型.將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程耦合,采用數(shù)值積分方法預(yù)測(cè)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(jī)轉(zhuǎn)子葉片非同步振動(dòng)是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一類新的氣動(dòng)彈性問(wèn)題,表現(xiàn)為葉片振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)頻不同步且具有鎖頻現(xiàn)象,嚴(yán)重影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和運(yùn)行安全.上海交通大學(xué)陳勇等基于時(shí)間推進(jìn)的方法,建立了多級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)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(dòng)柔性葉片的非定常流場(chǎng)、氣流激勵(lì)頻率和結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征,揭示了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片非同步振動(dòng)的流固耦合機(jī)制.

在核能工程領(lǐng)域中,高速離心機(jī)是關(guān)鍵技術(shù)裝備,廣泛應(yīng)用于提純放射性乏燃料,對(duì)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(dāng)充液轉(zhuǎn)子發(fā)生擾動(dòng)時(shí),腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)液體被激起擾動(dòng)運(yùn)動(dòng),二者發(fā)生耦合,誘發(fā)轉(zhuǎn)子自激失穩(wěn).北京化工大學(xué)王維民等探究了充液離心機(jī)轉(zhuǎn)子的流固耦合機(jī)理及減振措施,推導(dǎo)了擾動(dòng)形式的納維-斯托克斯方程,得到了壁面處的流體壓強(qiáng)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(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方程耦合,采用狀態(tài)空間法降階求解動(dòng)力學(xué)方程的阻尼衰減指數(shù)和渦動(dòng)頻率.研究發(fā)現(xiàn)充液轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性是轉(zhuǎn)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(jié)果.流激振動(dòng)是造成燃料棒包殼微動(dòng)磨損最主要的原因之一,在核能工程中需時(shí)刻注意.中山大學(xué)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(jiǎn)支梁模型,系統(tǒng)地研究了格架失效對(duì)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(duì)模態(tài)、湍流響應(yīng)快速重構(gòu).

在土木工程領(lǐng)域中,如大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的纜索系統(tǒng)等圓柱結(jié)構(gòu)在風(fēng)載荷作用下,多圓柱結(jié)構(gòu)之間會(huì)發(fā)生復(fù)雜的耦合干涉作用,產(chǎn)生比單圓柱結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的流激振動(dòng)響應(yīng),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(xué)王嘉松等通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),研究了正方形布置四圓柱的流激振動(dòng).基于對(duì)振動(dòng)幅值、渦脫頻率、振動(dòng)頻率等分析討論,充分認(rèn)識(shí)了大質(zhì)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(jié)沉降是影響土木工程建設(shè)和結(jié)構(gòu)安全服役的重要問(wèn)題.蘭州交通大學(xué)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(jié)特性,基于Biot 多孔介質(zhì)理論,利用分?jǐn)?shù)階Kelvin 模型描述土骨架流變效應(yīng),構(gòu)建了時(shí)變載荷作用下飽和黏土地基的三維軸對(duì)稱固結(jié)模型,采用 Hankel-Laplace 聯(lián)合變換和張量運(yùn)算推導(dǎo)了控制方程的變換域解析解,利用數(shù)值反演得出了時(shí)空域解.分析了三種時(shí)變載荷作用下飽和黏土地基的流變固結(jié)行為和參數(shù)影響規(guī)律.

在醫(yī)藥工程領(lǐng)域中,特別地對(duì)于輸送藥物的新型醫(yī)療器械來(lái)說(shuō),將流體器械設(shè)計(jì)成管狀結(jié)構(gòu)是一種潛在方案.磁調(diào)控下的微創(chuàng)手術(shù)、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(fù)雜,可能是時(shí)變的,故不可簡(jiǎn)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(diào)控原理具有重要意義.華中科技大學(xué)王琳等基于 Hamilton 原理,建立了磁調(diào)控下硬磁軟材料輸流管道的動(dòng)力學(xué)模型,推導(dǎo)了鉸支-可滑動(dòng)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(chǔ)上,對(duì)輸流管系統(tǒng)進(jìn)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(yù)測(cè)軟材料輸流管的動(dòng)力學(xué)行為提供了理論基礎(chǔ),也為輸流管的磁調(diào)控提供了思路.

綜上所述,盡管流固耦合力學(xué)問(wèn)題經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展已經(jīng)相對(duì)完善,但要真正解決流固耦合問(wèn)題必須結(jié)合流體力學(xué)與固體結(jié)構(gòu)分析中的各種方法與手段.急需我國(guó)力學(xué)科研工作者不斷地深入到各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中,持續(xù)投入并開(kāi)展創(chuàng)新性的基礎(chǔ)理論研究與關(guān)鍵技術(shù)突破,將流固耦合力學(xué)研究提升到更高的水平.特此感謝《力學(xué)學(xué)報(bào)》編輯部對(duì)流固耦合力學(xué)問(wèn)題的關(guān)注以及對(duì)本專題的支持! 也特別感謝所有論文作者以及審稿專家對(duì)本專題出版的重要貢獻(xiàn)和大力支持!