超高压管线系统气固耦合振动特性的仿真研究.pdf

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1、北京石油化工学院学报第21卷第2期Vo1．21NO．2JournalofBeijingInstituteof2013年6月Jun．20l3Petro—chemicalTechnology超高压管线系统气固耦合振动特性的仿真研究赵杰，李峰，刘录(北京石油化工学院，北京102617)摘要：基于工程气固耦合理论和伽辽金法，以某石化企业内压为300MPa的某管段为研究对象，建立了超高压管线系统气固耦合振动的数值模型，并应用任意拉格朗日一欧拉分析方法对管段充气前后的振动特性进行数值分析计算，通过与现场测试结果对比，验证了有限元模型和计算过程的合理性和可靠性，为超高压管线系统减振

2、降噪研究提供理论参考。关键词：高压管线；气固耦合；振动特性中图分类号：TB53文献标志码：A作为用来提高气体压力或输送气体的压缩过程中先假设介质是可压缩、无黏、小扰动，自机设备在国民经济各部门应用十分广泛，但在由边界面为小波动，管道结构为线弹性；以此建实际生产过程中普遍存在着压缩机管线系统振立管道气固耦合系统的边界条件和控制动剧烈的问题，危害极大。压缩机管线系统包方程。括弹性气柱系统和管道机械结构系统。气柱系1．1边界条件统的流体脉动会诱发管道的机械振动，同时，机1．1．1高压气流边界条件械振动也会反作用影响流体的流动，这就是通管道与气流间属于刚性固定边界，其高压常所

3、说的气固耦合振动，耦合振动对管线系统气流边界条件为：的振动特性影响较大，因此有必要综合考虑管一0(1)道结构与内部流体之间动态特性的相互影响，a文献[1—7]对此均有论述，但这些文献中的结论式中，p为高压气流压力；，为高压气流边界都是在管内气压较低(<10MPa)的情况下得单位外法线向量。到的，而在乙烯生产过程中压缩机出口管线压1．1．2管道边界条件力高达300MPa，在此压力下的介质密度相当力边界条件为：于轻金属的密度，因此，笔者以某石化公司超高===T(2)压压缩机出口管线为研究对象，采用数值分析位移边界条件为：方法揭示气固耦合作用对系统振动特性的影响U一(3)规

4、律。式中，为管道应力分量；为管道边界单位外法线分量；亍为管道上的已知面力分量；“1气固耦合方程为管道上的已知的位移分量。采用伽辽金(Galerkin)法对管道一高压气1．1．3压力管道与高压气流交界面的气固耦组成的耦合系统进行有限元离散并求解，计算合边界条件在流固耦合的交界面上，法向速度连收稿日期：20121011；修回日期：20130311续，即：基金项目：北京市自然科学基金资助项目(3132013)；节能减排技术及设备北京市学术创新团队资助项目+lD～r一0(4)(PHR20l107147)。作者简介：赵杰(1976～)，女，硕士，副教授，主要从事过程装式中，为管

5、道加速度向量；p』为流体质量备与控制工程教学与科研工作，E—mail：zhaoiie@bipt．edu．cn。第2期赵杰等．超高压管线系统气固耦合振动特性的仿真研究27密度。1．2控制方程1．2．1流体场(高压气流)方程流体场(高压气流)方程为P一专一0(5)式中为声波在高压气流中的传播速度。1．2．2固体场(管道)方程固体场(管道)方程为，，—卜f一psu(6)图1管道结构的有限元模型式中，厂为管道体积力分量；为管道质量仿真建模时，气柱选用声单元Fluid30进行模密度。拟。文中涉及到的流体单元分为2类：一类是1．2．3耦合场方程未与管壁面接触的单元，这些单元节点只

6、有1采用伽辽金法求解方程，耦合场的有限元个压力自由度，用FIUID30中的对称矩阵单控制方程为：元表示；另一类是与管道内表面接触的单元，这些单元节点有3个位移自由度和1个压力自由1~1度，用FLUID30中的非对称矩阵单元表示。该管段一端与压缩机相连，另外一端与集束器相连。与压缩机相连的一端可以看成声学式中，M为管道的质量矩阵；Mf为气流的质上的闭口，即脉动速度为零；与集束器相连的一量矩阵；K为管道的刚度矩阵；K，为气流刚度端可以看成声学上的开口，即脉动压力为零。矩阵；Q为气固耦合矩阵；n为管道节点位移向由此建立管内气柱数值模型如图2所示，该模量；P为气流节点压力向量

7、。型共划分节点24804个，单元20605个。2气固耦合管道的数值模拟以出口管系的某一弯管段为例进行计算，该管段内径为76mm，壁厚为52mm，材料密度为7820kg／m。，弹性模量为2．16×10”Pa，泊松比一O．3，管内介质压力为300MPa，介质工作温度为100。C。管线两端分别与压缩机缸头和集束器连接，包含2套对接法兰，1套管夹约束。图2气柱有限元模型2．1管段结构的数值建模根据管段的实际尺寸、安装位置及工作条2．3气固耦合模型件，基于厚壁圆筒理论及工程气固耦合(FSI)耦合分析过程中最为关键的就是耦合面的基本理论，运用APDL参数化语言建