基于Comsol和Matlab海洋立管涡激振动耦合仿真案例

导读：曾几何时，笔者原创视频课程《Fluent涡激振动数值模拟与应用研究8讲》通过对国际顶尖高等学府康奈尔大学研究人员的经典二自由度管柱涡激振动试验过程的深入了解及复现，快速掌握ANSYS workbench的仿真方法及建模技巧，熟练开展包括几何模型建模、网格划分、fluent参数设置、后处理等全过程仿真。近日笔者继续给读者朋友带来《基于Comsol的海洋立管涡激振动仿真案例》分享，希望能够抛砖引玉，引发工程师朋友的共鸣 。

一、案例描述

计算参数如下表所示

二、Comsol 基本设置

步骤一：启动Comsol，新建模型

• 双击打开Comsol Multiphyics

• 点击模型向导，选择二维模型

• 点击流体流动，选择单相流，点击湍流选择湍流模型k-w

• 选择流-固耦合下的流固耦合，点击添加，选择研究选项

• 选择瞬态选项，点击完成进入模型主页面

步骤二：模型参数化设置

• 名称为参数的符号表示，表达式为定义值或者计算公式，单位为默认国际单位，描述为详细的解释说明，可按照自己的需要进行更改

• 处理参数的功能使我们可以加速模型设置，简化工作流程

• 可以自动化几乎所有预处理或后处理步骤，并控制模型树中的所有设置

• 便于模型变更以及用于快速计算数学表达式

• 作为网格生成器的参数

步骤三：几何建模设置

• 选择模型树几何1，右击选择矩形

• 宽度设置为40*D，高度设置为20*D，最后点击构建选定对象

• 选择模型树几何1，右击选择圆形

• 选择大小和形状，将半径设置为D/2，扇形角设置为360°

• 位置选择居中，坐标X设置为10*D，坐标Y设置为10*D

• 点击构建选定对象

• 选择模型树几何1，右击选择贝塞尔多边形
• 点击添加线性多项式，设置两个相应的控制点坐标
• 重复添加线性多项式，设置对应的控制点坐标

• 最终构建所有对象，形成所需的几何模型

• 选择模型树几何1，点击形成联合体，构建选定对象

• 选择模型树几何1，右击选择虚拟操作，选择网格控制边，选择之前构建的贝塞尔多边形

• 点击构建对象，形成网格控制边，为后续网格划分提供控制边界

步骤四：Materials设置

• 点击模型树材料，右击选择空材料

• 选择流体区域，填写材料属性，材料值填写模型参数化的对应符号即可

• 点击模型树材料，右击选择空材料

• 选择固体区域，填写材料属性，使用参数化的符号即可，或者直接输入参数

步骤五：固体力学设置

选择模型树固体区域，双击弹出区域设置窗口，如图所示

• 选择固体区域部分

• 右击固体力学，选择材料模型，选择刚体域，点击固体区域

• 选择刚性域，右击选择弹簧基础，弹簧类型选择弹簧常数，弹簧刚度设置为K，选择各向同性

• 粘滞阻尼设置为C，各向同性

步骤六：湍流设置

点击模型树节点 湍流设置 ，参数面板如图所示，点击流体域部分。

1 、 Inlet 边界设置

鼠标右击湍流选项，点击入口，选择入口边界

• 点击速度U0，设置为V*step1(t/1[s])
• 其中step1为阶跃函数，右击模型树定义，点击选择，点击阶跃函数

• 设置合适的参数，目的使速度有平滑的上过渡

• 设置 压力Po为 0，选择抑制回流

步骤七 ：流固耦合设置

• 右击模型树定义，点击动网格，选择变形域

• 变形域选择流体域

• 网格平滑类型选择为Yeoh

选择模型树节点 网格1，如图所示

• 选择用户控制网格

• 右击网格1，选择自由三角形网格

• 选择大小1，点击固体区域，校准为普通物理，网格大小为常规

• 选择大小2，点击中间流体区域9，校准为流体动力学，网格大小为极细化

• 选右击网格1，点击映射，选择红色框选区域

• 右击映射1，点击分布，分布类型选择固定单元数，单元数设置为10

• 右击网格1，映射，将剩余部分进行映射

• 右击网格1，点击边界层，选择边界层区域

• 击边界层，选择边界层即流固耦合边界

• 将边界层数设置为20层，边界层拉伸因子设置为1.2

• 第一层厚度选择为手动

• 边界层厚度为layer

• 最终构建全部对象，完成网格划分

步骤九 探针设置

• 1点击域探针，选择固体域

• 点击2，选择固体力学，选择位移，选择Y分量位移

• 表达式选择v2/D

• 同样将横流向方向进行相同设置

• 右击定义选择探针，选择全局变量探针，定义升力系数和阻力系数

步骤十 求解器设置

• 点击研究1，时间步设置区间，前一秒为0.01步长，后面以0.04步长，根据计算机的性能合理设置调整

• 设置求解时显示结果，点击绘制，选择速度绘图

• 右击研究1，点击显示默认求解器

• 选择求解器配置，点击瞬态求解器1

• 点击分离

• 终止技术选择迭代或容差，迭代次数为20，容差因子为0.1

• 最后点击计算即可

步骤十一 查看计算结果

• 点击模型树结果，右击选择二维绘图组，可进行残差曲线、各种云图（速度、压力等），速度矢量图、动画等

三、我的视频讲解

《基于Comsol海洋工程立管涡激振动数值模拟：从几何建模到MATLAB耦合等全过程仿真》课程是笔者原创首发仿真秀视频课程。它基于Comsol 5.4版本和MATLAB录制，旨在让订阅用户直观了解常见的涡激振动现象及产生原因，深层次认识涡激振动的产生机理、振动结构及流体流场的特征；此外通过对工程立管案例的的深入了解及仿真复现，快速掌握Comsol软件的仿真方法及建模技巧，熟练开展包括几何模型建模、网格划分、参数设置、后处理以及与MATLAB的耦合等全过程仿真。课程内容涵盖：

• 第一节：导论
• 第二节：模型参数化以及探针设置
• 第三节：几何建模
• 第四节：材料及流固耦合设置
• 第五节：网格划分
• 第六节：求解设置及后处理

• 第七节：COMSOL Multiphysics with MATLAB

欢迎识别下方二维码试看。

基于Comsol海洋工程立管涡激振动数值模拟：从几何建模到MATLAB耦合等全过程仿真

（完）