细长管与管内外流体流固耦合的计算.pdf

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1、418化工机械2010年细长管与管内外流体流固耦合的计算’刘巨保¨张强霍喜军(大庆石油学院)马维祥(大庆石化公司水气厂)摘要把固体域离散成梁单元，流体域划分为若干段，对流体段离散成六面体单元，建立了固体域整场求解、流体域分段求解的分区耦合模型，描述了耦合界面信息传递方法。为了避免同种偏心度重复计算，还提出了环空流体特性描述数据库。关键词细长管流固耦舍分区耦合计算效率中图分类号TQ055．8+l文献标识码A文章编号0254_6094(2010)04-0418-04在石油和石化工业中，存在着大量界面

2、流固耦合现象，如上千米细长钻柱与管道流及环空流的耦合、长输管线与管道流的耦合、换热管与管程及壳程流体的耦合等。针对这类细长管与流体相互作用的流固耦合问题，杨建刚⋯应用有限元法，对环形间隙内振动圆柱流固耦合动力特性进行了研究，丁天怀旧1考虑钻井液与钻柱的泊松耦合，对其纵向振动特征进行了研究。这类细长结构的耦合问题，强耦合难以实现，目前，分区耦合是最常用的流同耦合计算方法¨-，为了提高计算效率，笔者拟建立固体域整场求解和流体域分段求解的分区耦合模型，该方法应用于石油钻采工程中的抽油杆柱和钻柱等结构的

3、流固耦合分析，也可用于化工机械中的细长旋转轴、搅拌轴以及换热管等结构的流固耦合分析。1力学模型细长管的轴向尺寸通常是几米、数百米乃至上千米，其轴向尺寸远大于横向尺寸，针对这类结构特点，细长管与管内外流体对计算网格要求的不同，将细长管沿轴线离散为若干个空间梁单元，管内流体、管外环空流体离散为六面体单元，外管处理成刚性，细长管流固耦合模型如图1a所示。采用上述离散方法，细长管与管内外流体在耦合界面上存在网格不匹配，1个梁单元对应管Q外管流体内管流体兀a．流固耦合模型5．环空流体段模型图1内外管及流体

4、流固耦合模型内外数千乃至上万个流体单元，若固体域和流体域整体分区流固耦合求解，流体域模型太大难以实现，提出流体域分段求解技术，其作法为细长管总长取L，细长管离散单元长度为￡。，离散为／'t。个单元，n。+1个节点；设流体段长为工，，在每个梁单元长度L．上，流体段数为m=￡／己，段，在整·国家自然基金项目(10672037)和黑龙江省科技计划项目(GZ08A505)。}·刘巨保，男，1963年12月生，教授，研究生院副院长。黑龙江省大庆市，163318。第37卷第4期化工机械419个模型中划分为嘞

5、=以·m流体段，流体段及网格划分情况如图1b所示。2计算方法2．1控制方程细长管与管内外流体耦合时，涉及到固体域和流体域计算。细长管结构动力学方程为：Ma+Cd+Kd=F(1)式中膨——细长管的质量矩阵；C——细长管的阻尼矩阵；K——细长管的刚度矩阵；d——细长管位移；，——外载荷，包括流固耦合界面处的流体载荷。不可压缩管内外牛顿流体的N．S方程为：“(乳)(”*厂一言Vp+vV2u1(2)v．u：0J式中u——流体速度；P——流体压力；；——流固耦合界面处的流体速度，昌=“=d；／——流体质量

6、力；口——流体的运动粘度。式(2)中包含了惯性力、质量力、压力和粘性力。2．2界面信息传递流固耦合的关键是界面信息传递，即细长管与管内外流体在边界上满足位移协调和作用力平衡条件。在数值模拟时，由于管内外流体与细长管在耦合界面上的网格不匹配，从而不能直接进行数据交换，需要在界面上采用一定的信息映射方法。通常流体计算要求的网格密度比固体要密得多，由此产生耦合界面上两套非匹配网格之间的数据传递问题。细长管将在管道流体、环空流体荷载作用下发生的变形，通过耦合界面由梁单元位移传递给流体域，流体域在新状态下

7、求解流场，再将管道和环空流体载荷通过耦合界面传递给梁单元。管内流体对细长管的轴向阻力大小不变，其方向沿着细长管的轴线，由于管的轴线变形角度较小，故内流体界面力变化较小，管内流体的耦合效果不明显，计算时可将流体外表面载荷直接作用在细长管的轴线上。笔者着重论述细长管与环空流体的界面位移、界面力计算方法以及流固耦合收敛判断方法。2．2．1界面位移计算由形函数Ⅳ表达的单元位移函数为：，=Nd‘(3)由空间粱单元的位移函数式，可求出流体段A、B截面处圆心的位移，此两截面即为流体段进出口截面，从而固体位移影

8、响流体的流动状态。对于流体域，由于细长管在流体载荷下存在偏心，环空流体域的空间位置会随之发生变化，因此由细长管的截面的横向位移u。、％，确定流体进口A截面的偏心度及转角为：』e-2~／u：+秽j俗(4)【0^=aretan(％／u^)+I

9、}’霄当Y>0，龙>0时，k’=0；当Y>0，石<0时，k’=l；当Y<0，髫<0时，k7=1；当Y<0，x>0时，k’=2。式中6——环空间隙，6=R。一Ri；尺。——环空流体的外径；尺，——环空流体的内径。同理，可得流体出口曰截面偏心度e。和转角钆，由此可