流固耦合效应下水力旋流器变径圆管振动特性研究.pdf

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1、240化工机械2015焦流固耦合效应下水力旋流器变径圆管振动特性研究+邱亚东”1王尊策1李翠艳2范雯洋3(1．东北石油大学机械科学与工程学院；2．渤海石油装备巨龙钢管有限公司；3．大庆石油第二采油厂)摘要应用流固耦合理论，采用双向耦合隐式算法研究在无支撑和有支撑两种情况下外部激振对水力旋流器变径圆管结构振动特性的影响。研究结果表明，罐体入口在小锥段前1／4区域垂直范围内时，能够抑制管体振动幅度，分别为无支撑时使管体最大位移量较无冲击时减小2．5％和有支撑时使管体最大位移量较无冲击时减小13．1％；在小锥段与尾管段交汇处添加支撑可以有效抑制管体振动幅度达90％以上。关键词水

2、力旋流器流固耦合振动特性中图分类号TQ051．8文献标识码A文章编号0254—6094(2015)02旬240_05随着我国各主力油田进入中、高含水开采阶段，油田生产污水的处理已成为重大难题之一。水力旋流器在油田采出液分离和含油污水处理方面具有其他分离设备不可替代的作用。作为一种分离设备，人们希望在连续工作中获得较高的分离效率，而高的分离效率需要有一个稳定、合理的流场分布，但设备在运行过程中，由于其工作方式往往为多个管体并联的形式，这样单个管体就会受到内部和外界的双重干扰影响，致使其产生各种微小的振动，从而使流经设备的流场产生振荡，而振荡流又进一步作用于设备，使设备产生振

3、动。已有研究表明，这种流场与结构的相互作用会对水力旋流器的分离效率产生影响⋯，这也使得控制和利用流体与结构设备之间的相互作用逐渐成为众多学者关注和研究的课题旧。。。由于水力旋流器变径圆管结构工作环境的特殊性，使得其工作状态下的振动特性很难通过试验的方法获得。笔者通过数值模拟的方法，对水力旋流器进行了流固耦合仿真模拟，得到了水力旋流器变径圆管结构在工作状态下的振动特性，为水力旋流器的合理安装和使用提供了依据。1水力旋流器变径圆管结构数值计算模型水力旋流器变径圆管结构工作状态振源分布如图1所示。待处理混合液经由罐体入口进入罐内，成为外部来流，冲击旋流器管体产生涡激力，后经由旋

4、流器人口进入旋流腔形成强旋流对管体产生自激力，同时产生分离作用，使得轻相介质(油)经由溢流口排出，重相介质(水)经由底流口排出。笔者采用经典双锥结构，考虑流固耦合效应的影响，以变径圆管结构为研究对象，对其在无支撑和有支撑两种情况下的振动特性进行数值计算分析。轻相介质出口罐体入口砖睁除瞻lII／重相介质出口图1水力旋流器变径圆管结构工作状态振源分布1．1管体结构的有限单元法水力旋流器变径圆管结构为实体单元，单元女国家自然科学基金资助项目(11172061，11402051)，黑龙江省教育厅项目资助项目(kyl20444)。{$邱亚东，男，1987年10月生，硕士研究生。黑龙

5、江省大庆市，163318。第42卷第2期化工机械241内的位移函数关系式可表示为：If}=[Ⅳ]{8}。(1)式中{厂}——单元内任一点在坐标方向的位移列向量；[Ⅳ]——形函数矩阵；{艿}。——单元内所有节点位移分量的列向量。管体结构的位移函数建立后，利用弹性力学几何方程、弹性力学物理方程和虚功原理，建立单元的节点力和位移关系式，即建立水力旋流器管体的平衡方程：{F}。=[k]{占}。(2)[％]=ff『[曰]7[D][曰]dxdydz(3)J式中{F}。——单元各节点所有节点力分量组成的节点力列向量；[k]——单元刚度矩阵。1．2结构动力学方程在对水力旋流器进行流固耦合

6、分析时，需要考虑结构在内力和外力共同作用下的振动情况，才能更好地确定结构随时间运动对流体流动的影响，结构的运动方程可表示为：[M]{6}+[c]{占}+[K]{占}={F，}+{F。}(4)式中[C]——阻尼矩阵；{F，}——流体对结构的载荷；{F。卜_～外界随时间变化的载荷；[M]——质量矩阵；{艿}、{8}、6——随时间变化的位移矢量、速度矢量和加速度矢量。2建模及模拟参数设置模拟基于Workbench平台，采用双向耦合隐式算法进行模拟分析。模拟分析的对象为水力旋流器变径圆管结构，旋流腔直径56mm、长56mm，大锥锥角20。，大锥小径14mm，小锥锥角1．50，小锥

7、小径7mm，尾管长度500mm，额定处理量4m3／h，管体材料为不锈钢347，壁厚3mm，支撑方式为两端固定。内部流体为含油5％的油水混合液，分流比为5％，截面标号和区域划分如图2所示。其中，A一日为拟冲击区域，截面1—10为位移测点标号。图2截面标号和区域划分考虑水力旋流器在工作时其主要激振来源为内部流体和外部冲击的相互作用，笔者重点研究内流稳定时外部冲击对其振动特性的影响规律，而外部冲击对管体的影响以涡激振动的形式体现出来。根据涡激振动理论，取用斯托哈尔数St=0．2，升力系数C．=0．65，忽略曳力对管体的影响。计算得到