干货 | OpenFOAM涡激振动仿真详解

近几十年，科学家们对涡激振动现象展开了大量的研究。在进行设计时，难免要与已有的文献研究结果进行比较。本文将从笔者自身经验出发，分享如何使用OpenFOAM模拟涡激振动，以及如何取得与文献相符合的结果的一些个人经验，供初学者参考。

https://gitee.com/chen-jingle219/vortex_induced_vibration/blob/master/README.md

• 流场网格

• 0：边界条件以及初始条件

OpenFOAM边界条件以及初始条件在case/0文件夹中面统一设置，可以在我的gitee中看到。值得一提的是，要使用动网格，需要加pointDisplacement 文件。然后在U文件中，圆柱表面的边界类型由 fixedValue 改为 movingWallVelocity：

其它边界条件以及初始条件与圆柱绕流算例基本相同。

• constant: 动网格设置

constant里面除了接下来着重讲的dynamicMeshDict以外，还有常见的transportPropertiesDict和turbulencePropertiesDict两个Dict文件。将运动粘度nu设置为水的粘度1e^-6，湍流模型设置为层流。对于dynamicMeshDict，主要讲解需要改动的部分：

 

（2）质量、惯量以及密度

 

质量由质量比、圆柱长度、圆柱直径和流体密度计算得到，公式在图里。质量比可以理解为固体的质量和其排开水的质量的比值，代表其在水里有多“重”。momentOfInertia为固体在这个惯性系里面三个方向的惯量，因为本算例不涉及转动，所以这个无关紧要，但不能设为0，否则会报错。密度设置为水的密度1000kg/m³。

（3）约束constraints

Constraints可以有约束的意思，且约束的程度更强，有限定的意思。在这里，constraints就是给圆柱的运动方向进行设定。如图所示，yline表示其只能在y方向上运动，zAxis则是不可绕z轴转动。这样，圆柱只能沿y轴进行平移。其它的constraints类型也在图中给出：fixedPoint可以把圆柱固定在某一点处；zPlane可以让圆柱在z平面移动，也就是x、y两个方向都可以运动。

 

Restraints约束的程度较弱，在这里，是给圆柱运动施加一定的阻力。Restraints有很多种，适合涡激振动的就是图中所示的linearSpring，也就是一个弹簧-阻尼系统。这个弹簧有定点（anchor）和动点（refAttachmentPt）两个end points。计算时，anchor始终固定，而refAttachmentPt则是动点的一个参考点，用来计算弹簧长度的变化量的。Stiffness、damping和restLength顾名思义分别是刚度、阻尼和弹簧原长，根据需要进行改动。至于应该怎么给？这些都是根据约化速度Ur来定的，在任何一篇涡激振动的文章里头都有对应的公式。

（5） system/fvSolution

• 运行
  

按自己机器的核数并行计算即可。需要注意，提取圆柱运动的位移，需要在运行时加上> log.pimpleFoam，这样，输出的信息就能存在log文件里面。

• 后处理

最后，圆柱的位移曲线就会存在plotfile.dat里面，就可以用matlab处理或者用tecplot进行查看。