流固耦合作用下固支输液管道有限元分析.pdf

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1、190化工机械2012年流固耦合作用下固支输液管道有限元分析胡跃华‘蒋诚航闫怀磊万先平金志江(浙江大学化工机械研究所)摘要介绍了输液管道流回耦合作用下振动的原因，并对某厂稀甲醇管道进行了模态分折争ANSYS．CFX双向流固耦舍受力模拟。前者用以得到流固耦合下管道的自振特性，与不计耦合相比固有频率降低约15％；后者可得到在水锤压力作用下管道的变形与Miaes应力分布云图。关键词管道流固耦合ANSYSCFX水锤中圈分类号TQ055．8+1文献标识码A文章编号0254-6094(2012)02-01904)4输液管道是一种重要的工程

2、结构，它在机械、石油化工、核电、热交换器装置以及海洋工程等诸多领域都有着极其广泛地应用，如核反应堆、大型石油化工设施和海洋工程装备。如何保证输液管道安全、稳定地运行一直是研究的热点。笔者对流固耦合作用下固支输液管道进行了有限元分析，为输液管道的分析、设计提供了理论依据。1管道振动管道与其中脉动的液体之间的耦合对充液管系振动响应的计算有很大的影响，尤其当管系固定支撑较少或管道轴向刚度较小时管道与液体耦合加强，若简单地不计耦合作用，可能得到错误的计算结果。管道振动是由水锤压力的存在而引起的⋯，水锤也称水击，是输水管道中由于非定常流

3、动(如阀门的突然关闭或开启、泵的启停及脉动内流等)引起的极端水力冲击现象。参考文献[2]中提到水击压力增加量与流速的扰动量之间的关系为△p---#fcf△口，。‘2流同耦合流固耦合力学是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这两者相互作用的一门科学。特征是流体接触的结构受到流体力的激励产生响应，引起流场的变化，而流场的变化又反过来影响作用于结构上的流体力，从而形成了一个带反馈的流固耦合系统。流圃耦合分摩擦耦合、泊松耦合和结合部耦合。泊松耦合是流体压力与管壁应力之间的一种由局部相互作用丽导致的沿程耦合，因其耦合

4、的强烈程度与管材的泊松比紧密相关而得名，泊松耦合过程如图1所示‘3

5、。』==f===lb‘l’L：r．1图1泊松耦合过程图1a所示管道中流体流速为∥，对应的参考压力P=0；图1b中流体突然停止，导致压力升高至p’，该压力以流体为介质向来流方向传播，压力波速的大小为c，，考虑管壁弹性的影响时c，=——√嘉j考虑流体可压缩性的影响时cf=·胡跃华，男，1986年11月生，硕士研究生。浙江省杭州市，310027。第39卷第2期化工机械191层⋯等)_I㈣着液体压力升高(图1c)，管道的径向尺寸变大，轴向尺寸收缩(弹性材料的泊松比性质

6、)。而压力波前的管道被拉长，径向尺寸变小，又导致流体压力的升高，传播速度c。=／鱼，且c。>cfo～p‘3模态分析ANSYS模态分析中提取模态方法有子空间法、分块的兰索斯法、缩减法以及非对称法等。其中的非对称法适合矩阵非对称情况，可以用于流固耦合计算模态问题。APDL命令为：antype，2modopt，unsym，30mxpand，30，，，03．1建立模型划分网格管壁采用三维的Sloid45单元，流体采用Flu—id30单元，流固耦合单元也采用Fluid30，但修改了KEYOPT(2)=0，保留管壁结构。输液管道的有限元模

7、型如图2所示，管道的几何参数为外径57mm，壁厚6mm，在考虑耦合和不计耦合两种情况下，分别取管长L为0．1、0．2、0．3、⋯、4．0m共40个模型。图2输液管道的有限元模型分别建好固体和流体模型后，设置总体单元大小为0．0016，管道长度方向单元大小0．01。分配好材料、实常数和单元类型，vsweep划分管壁和流体网格。选择流固耦合面单元上的节点，并标记为流固耦合面，APDL命令为：esln，sesel，r，type，，3emodif，aU，type，2sf，all，fsi作为用作对比的不计耦合计算，不标记耦合面。3．2设

8、置边界条件并计算设置管道两端为固支，管端断面约束如图3所示。图3管端断面约束3．3计算结果分析图4为考虑耦合输液管道前四阶的振型图，其固有频率随支承长度的变化如图5所示。◆矿兰蒋嚣懈囿盆牦!驰k旬Ⅱ襄图4输液管道前四阶频率及振型图5支承长度对藕合管道固有频率影响表1分别给出了部分考虑流固耦合和不计耦合时前四阶的固有频率。对比发现，流固耦合作用会降低管道的固有频率。192化工机械2012年考虑耦合对不计耦合固有频率的偏差s=盘堂譬二霉xloo％。对两端绞支的管道前兰，不弁■台阶固有频率，偏差s收敛于14．7％。由于计算能力的局限

9、，无法计算管长L>4m时情况，第四阶的偏差最终收敛点未能得到。但根据前三阶收敛位置，可以预测第四阶偏差也会收敛于14．7％。文中影响因子值为0．85，与文献[4]所提及的影响因子相仿。4力学分析力学分析是通过ANSYS-CFX双向耦合实现。ANSYS-CFX是目前唯一可以不通