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《有压管道结构运动对管内水锤压力的影响研究_林毅》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、第31卷第4期河海大学学报(自然科学版)Vol.31No.42003年7月JournalofHohaiUniversity(NaturalSciences)Jul.2003有压管道结构运动对管内水锤压力的影响研究林毅峰,胡明(河海大学水利水电工程学院,江苏南京210098)摘要:针对经典水锤理论忽略结构对水锤压力影响的问题,深入研究了管道运动对管内水锤特性的影响,建立了水锤流固耦合数学模型,分别研究了管道轴向运动、横向运动和扭转对水锤压力的影响.通过具体实例,研究了流固耦合对管内水锤压力特性产生影响的程度.关键词:水锤;管道结构;流固耦合;特征线法中图分类号:TU991.36;TV13
2、4文献标识码:A文章编号:1000O1980(2003)04O0440O04经典水锤理论能够比较好地反映强约束管道系统的水锤现象,而对于火电厂、核电厂和化工厂的管道系统往往是悬空的复杂环路系统组成的弱约束管道系统,管道结构的动态特性及运动状态对流体的影响是不容忽略的.同时,水锤波的传播也会改变管道结构的特性,二者将相互作用、相互影响.很多试验和应用已经表明,上述那种将流体与结构割裂开来单独分析的方法在某些场合会引起很大的误差,甚至得出与实际情况截然不同的结果.因此,有必要深入研究有压管道的流体)结构相互作用(Fluid-StructureInteraction,简称FSI).1管道运动
3、对水锤的影响水锤流固耦合的数学模型包括流体的运动方程和连续性方程,以及管道的运动方程和本构方程.以经典水锤理论的基本方程为基础,考虑管道运动和管壁变形对流体流速和压力的影响,通过修正和添加相应的项,就可以得到考虑流体O结构相互作用的水锤基本方程.通过考虑流体对管道动态特性的影响,可以建立起管道的运动方程和本构方程.流固耦合分析涉及管道的轴向伸缩、弯曲和扭转对流体的影响,影响因素比较复杂.为此,必须根据研究重点的具体需要来选择算例,以便通过比较,找出管道具体运动方式对流体瞬变的影响.取如图1所示的管道单元进行分析,考虑管道轴向运动影响,可推导出轴向耦合4方程模型;同时考虑轴向、弯曲和扭转
4、影响,可推导出全耦合的14方程模型.1.1轴向运动和弯曲对水锤压力影响的比较如图2所示的管道系统,A,B和D端固定不动,弯肘处(C)不受外界约束.管道在C处可以产生轴向运动.管道系统如图2所示图1管道单元(z1表示CD的轴向,z2表示BC的轴向),参数如下:管材密度Q1Fig.1Pipeelement3=8940kg/m,管材泊松比L1=0134,管壁厚度D1=1127mm,管材弹性模量%1=117GPa,管道内直径d1=26mm.因阀门瞬时关闭在D处引起的轴向耦合和全耦合水锤压力如图3所示.计算结果显示,全耦合模型算得的水锤压力的幅值和频率都很接近轴向耦合相应的计算结果.这表明,在影
5、响水锤压力的结构运动方式中,轴向运动的影响起支配作用.管道的横向振动和弯曲对水锤压力的影响很小.1.2轴向运动、弯曲和扭转对水锤压力影响的比较图4所示的呈空间布置的管道系统包含B,C两个直角弯肘,均不受外界约束.阀门端D被固定.管道收稿日期:2002O05O31基金项目:河海大学科技创新基金资助项目(99538513)作者简介:林毅峰(1976)),男,广西凭祥人,工程师,硕士,主要从事水工建筑物的设计、研究工作.第31卷第4期林毅峰,等有压管道结构运动对管内水锤压力的影响研究441图2管道系统1示意图图3阀门D处水锤压力过程Fig.2Sketchofpipesystem1Fig.3W
6、aterhammerpressureatvalveD3参数如下:管道长度L2AB=2.0m,管道内直径d2=25mm,管材密度Q2=8940kg/m,a管道长度L2BC=210m,管壁厚度D2=1.0mm,管材泊松比L2=0.34,b管道长度L2CD=2.0m,管材弹性模量E2=117GPa.管中水初始流速为110m/s.阀门关闭时间为212ms,假设流速线性减小.D处的轴向耦合和全耦合水锤压力如图5所示.14方程模型算得的弯肘C处和阀门D处的水锤压力与4方程模型的计算结果比较,差别很小.这说明在考虑流固耦合的时候,管道弯曲和扭转对水锤压力的影响很小.图4管道系统2示意图图5阀门D处水
7、锤压力过程Fig.4Sketchofpipesystem2Fig.5WaterhammerpressureatvalveDinasimplepipesystem综上所述,在轴向运动、弯曲和扭转3种管道运动方式中,轴向运动对水锤压力的影响是主要的.2流固耦合对水锤压力影响程度的判断前面的分析表明,有压管道流固耦合的各种管道运动形式中,对水锤压力影响最大的是轴向运动.结构运动对水锤压力的影响,其物理本质是管壁中的应力波与流体中的水锤波共存于管道系统
