输液管路弯头固r液耦合动力学研究

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1、振动与冲击第２９卷第１２期ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＤＳＨＯＣＫＶｏｌ．２９Ｎｏ．１２２０１０输液管路弯头固－液耦合动力学研究１２１２王艳林，吴兰鹰，王自东，陈明文（１．北京科技大学材料科学与工程学院，北京１０００８３；２．北京科技大学应用科学学院，北京１０００８３）摘要：研究一种新型输液管路弯头，对其固－液耦合动力特性进行了数值计算，分析了导流器不同结构参数对其导流特性的影响，并校准了输液管路弯头的

2、强度与刚度要求。研究结果表明：原始弯头的内部总压差为２９５０６．２７Ｐａ，－５最大变形量为２．０６８９×１０ｍ，其变形方式是两侧拉长，中间向里凹，呈双椭圆形，对弯头具有“拉直”效应；当导流器按黄金比例排列，片数Ｎ为２，横截面弯曲半径Ｒ为２００ｍｍ，出口延长度Ｌ为４０ｍｍ设计时，其内部总压差为１０７０７Ｐａ，比－４原始弯头减小了６３．７１％，该优化结构的最大变形量为３．３０３９×１０ｍ，亦能满足强度与刚度要求，由于导流器弧度的存在使得导流器向外侧偏移而变形。关键词：管路弯头；结构优化；固－液耦合中图分类号：Ｕ６６１

3、．４文献标识码：Ａ充液输送管路广泛应用于建筑、石油以及化工等其内部加装导流器进行结构优化，采用双向耦合动力工程领域，而弯头是管路系统中常用部件，在管路弯头学法研究了弯头结构与流液间的固－液耦合动力特处由于流体强迫改向，冲击管壁产生紊流、湍流和涡流性，分析不同结构参数对其导流特性的影响，并校准其从而引起振动噪声和流体脉动噪声，其内部流场极其强度与刚度要求，从而综合各项指标确定导流器的最复杂，这对弯头的设计提出了很高要求。为确保弯头佳结构参数。的可靠性和使用寿命，必须对弯头内部结构进行优化１管路弯头流场分析设计，特别

4、在诸如船舶等设备中，有限的空间决定了其内部管路布置非常复杂，如液压系统、冷却水系统等，１１控制方式以传递能量流、动量流或质量流，完成其特定的功能。通过对瞬态连续方程和ＮａｖｉｅｒＳｔｏｋｅｓ方程时均同时，由于工作过程的不完善，伴有介质振荡或脉动，化，得到笛卡尔坐标系下不可压流体的控制方程，连续介质脉动产生交变力，使管路系统及其连接的附件发方程：生振动，强烈振动会使管路附件及之间的连接部分松ｕｉ＝０（ｉ，ｊ＝１，２，３）动甚至破裂，并会引起船体结构振动。另外，动力装置ｘｉ的冷却水取自船外，流体脉动在管路弯头

5、处所产生的动量方程（Ｎ－Ｓ方程）：振动噪声，将随冷却水的吸入与推出从管路进出口传ｕｉｕｉρ＋ρｕｊ＝［１－３］ｔｘ播辐射出去，从而严重影响其振动噪声性能。目ｊ前国内石油、空调所用的弯头是由管子热弯而成，管子ｐｕｉ－ｘ＋ｘ(μ－ρｕ′ｉｕ′ｊ)＋Ｓｊ截面形状成不规则椭圆形，另一部分是用短管焊接而ｉｊｘｊ成，这些弯头流场复杂，振动噪声很明显。近些年，人式中：ｕｉ、ｕ′ｉ、ｐ和Ｓｉ分别表示流体的平均速度、脉动速们已采用数值方法描述了二次流、分离流等实验现象，度、平均压力和流体体力。考虑重力作用时，Ｓ

6、ｉ＝并在湍流模型、截面形态等方面开展了大量深入的研－ρｇδｉ２。Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力τｉｊ＝－ρｕ′ｉｕ′ｊ，采用基于［４－７］究，但对弯管内部结构的研究相对较少，一些研究Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假定的两方程涡粘模型求解。［８－９］者虽对含导流片弯管内的流场进行了分析，但仅考虑流液与固体间的相互耦合动力作用，固体域得到导流片可以改善弯头内部流体流动性的结论，并的控制方程如下：··未对其详细信息进行研究。［Ｍ］｛ｕ｝＋［Ｋ］｛ｕ｝＝｛ｐ（ｔ）｝本文结合管路弯头外部造型不可改变的特点，对式中：［Ｍ］为质量矩阵；［Ｋ］为刚

7、度矩阵；｛ｐ（ｔ）｝为力··矢量；｛ｕ｝为位移矢量；｛ｕ｝为加速度矢量，上式忽略了基金项目：民口配套基金资助项目（ＪＰＰＴ－１１５－１４７）；国家自然科学基阻尼的影响。金（ＧｒａｎｔＮｏ．１０９７２０３０）１２固－液耦合界面（ＦＳＩ）及有限元分析模型收稿日期：２００９－１０－２６修改稿收到日期：２０１０－０５－２４固－液间的耦合动力问题主要依赖于流体域和固第一作者王艳林男，博士生，１９８２年生体域界面上数据的传递，对于瞬态问题，界面数据传递通讯作者吴兰鹰男，副教授，１９５６年生方式如图１所示。耦合动力界面上，每

8、一时间迭代步８０振动与冲击２０１０年第２９卷内需要进行时间、界面相关数据的交换以考虑流液和表１ＢＦｅ１０－１－１的材料性能参数弯头的相互作用，从而实现双向固－液耦合。为保证Ｔａｂ．１ＰｈｙｓｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＢＦｅ１０－１－１－３解的精确性，各控制方程残差均在１×１０以下，在保ＥｌａｓｔｉｃｉｔｙＤｅｎｓｉｔｙＰｏｉｓｓｏｎσｓσｂ