流固耦合作用下固支輸液管道有限元分析.pdf

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1、190化工機(jī)械2012年流固耦合作用下固支輸液管道有限元分析胡躍華‘蔣誠(chéng)航閆懷磊萬先平金志江(浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所)摘要介紹了輸液管道流回耦合作用下振動(dòng)的原因，并對(duì)某廠稀甲醇管道進(jìn)行了模態(tài)分折爭(zhēng)ANSYS．CFX雙向流固耦舍受力模擬。前者用以得到流固耦合下管道的自振特性，與不計(jì)耦合相比固有頻率降低約15％；后者可得到在水錘壓力作用下管道的變形與Miaes應(yīng)力分布云圖。關(guān)鍵詞管道流固耦合ANSYSCFX水錘中圈分類號(hào)TQ055．8+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0254-6094(2012)02-01904)4輸液管道是一種重要的工程

2、結(jié)構(gòu)，它在機(jī)械、石油化工、核電、熱交換器裝置以及海洋工程等諸多領(lǐng)域都有著極其廣泛地應(yīng)用，如核反應(yīng)堆、大型石油化工設(shè)施和海洋工程裝備。如何保證輸液管道安全、穩(wěn)定地運(yùn)行一直是研究的熱點(diǎn)。筆者對(duì)流固耦合作用下固支輸液管道進(jìn)行了有限元分析，為輸液管道的分析、設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。1管道振動(dòng)管道與其中脈動(dòng)的液體之間的耦合對(duì)充液管系振動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算有很大的影響，尤其當(dāng)管系固定支撐較少或管道軸向剛度較小時(shí)管道與液體耦合加強(qiáng)，若簡(jiǎn)單地不計(jì)耦合作用，可能得到錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果。管道振動(dòng)是由水錘壓力的存在而引起的?，水錘也稱水擊，是輸水管道中由于非定常流

3、動(dòng)(如閥門的突然關(guān)閉或開啟、泵的啟停及脈動(dòng)內(nèi)流等)引起的極端水力沖擊現(xiàn)象。參考文獻(xiàn)[2]中提到水擊壓力增加量與流速的擾動(dòng)量之間的關(guān)系為△p---#fcf△口，?！?流同耦合流固耦合力學(xué)是研究變形固體在流場(chǎng)作用下的各種行為以及固體位形對(duì)流場(chǎng)影響這兩者相互作用的一門科學(xué)。特征是流體接觸的結(jié)構(gòu)受到流體力的激勵(lì)產(chǎn)生響應(yīng)，引起流場(chǎng)的變化，而流場(chǎng)的變化又反過來影響作用于結(jié)構(gòu)上的流體力，從而形成了一個(gè)帶反饋的流固耦合系統(tǒng)。流圃耦合分摩擦耦合、泊松耦合和結(jié)合部耦合。泊松耦合是流體壓力與管壁應(yīng)力之間的一種由局部相互作用麗導(dǎo)致的沿程耦合，因其耦合

4、的強(qiáng)烈程度與管材的泊松比緊密相關(guān)而得名，泊松耦合過程如圖1所示‘3

5、?！?=f===lb‘l’L：r．1圖1泊松耦合過程圖1a所示管道中流體流速為∥，對(duì)應(yīng)的參考?jí)毫=0；圖1b中流體突然停止，導(dǎo)致壓力升高至p’，該壓力以流體為介質(zhì)向來流方向傳播，壓力波速的大小為c，，考慮管壁彈性的影響時(shí)c，=——√嘉j考慮流體可壓縮性的影響時(shí)cf=·胡躍華，男，1986年11月生，碩士研究生。浙江省杭州市，310027。第39卷第2期化工機(jī)械191層?等)_I㈣著液體壓力升高(圖1c)，管道的徑向尺寸變大，軸向尺寸收縮(彈性材料的泊松比性質(zhì)

6、)。而壓力波前的管道被拉長(zhǎng)，徑向尺寸變小，又導(dǎo)致流體壓力的升高，傳播速度c。=／魚，且c。>cfo～p‘3模態(tài)分析ANSYS模態(tài)分析中提取模態(tài)方法有子空間法、分塊的蘭索斯法、縮減法以及非對(duì)稱法等。其中的非對(duì)稱法適合矩陣非對(duì)稱情況，可以用于流固耦合計(jì)算模態(tài)問題。APDL命令為：antype，2modopt，unsym，30mxpand，30，，，03．1建立模型劃分網(wǎng)格管壁采用三維的Sloid45單元，流體采用Flu—id30單元，流固耦合單元也采用Fluid30，但修改了KEYOPT(2)=0，保留管壁結(jié)構(gòu)。輸液管道的有限元模

7、型如圖2所示，管道的幾何參數(shù)為外徑57mm，壁厚6mm，在考慮耦合和不計(jì)耦合兩種情況下，分別取管長(zhǎng)L為0．1、0．2、0．3、?、4．0m共40個(gè)模型。圖2輸液管道的有限元模型分別建好固體和流體模型后，設(shè)置總體單元大小為0．0016，管道長(zhǎng)度方向單元大小0．01。分配好材料、實(shí)常數(shù)和單元類型，vsweep劃分管壁和流體網(wǎng)格。選擇流固耦合面單元上的節(jié)點(diǎn)，并標(biāo)記為流固耦合面，APDL命令為：esln，sesel，r，type，，3emodif，aU，type，2sf，all，fsi作為用作對(duì)比的不計(jì)耦合計(jì)算，不標(biāo)記耦合面。3．2設(shè)

8、置邊界條件并計(jì)算設(shè)置管道兩端為固支，管端斷面約束如圖3所示。圖3管端斷面約束3．3計(jì)算結(jié)果分析圖4為考慮耦合輸液管道前四階的振型圖，其固有頻率隨支承長(zhǎng)度的變化如圖5所示。◆礦蘭蔣囂懈囿盆牦!馳k旬Ⅱ襄圖4輸液管道前四階頻率及振型圖5支承長(zhǎng)度對(duì)藕合管道固有頻率影響表1分別給出了部分考慮流固耦合和不計(jì)耦合時(shí)前四階的固有頻率。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，流固耦合作用會(huì)降低管道的固有頻率。192化工機(jī)械2012年考慮耦合對(duì)不計(jì)耦合固有頻率的偏差s=盤堂譬二霉xloo％。對(duì)兩端絞支的管道前蘭，不弁■臺(tái)階固有頻率，偏差s收斂于14．7％。由于計(jì)算能力的局限

9、，無法計(jì)算管長(zhǎng)L>4m時(shí)情況，第四階的偏差最終收斂點(diǎn)未能得到。但根據(jù)前三階收斂位置，可以預(yù)測(cè)第四階偏差也會(huì)收斂于14．7％。文中影響因子值為0．85，與文獻(xiàn)[4]所提及的影響因子相仿。4力學(xué)分析力學(xué)分析是通過ANSYS-CFX雙向耦合實(shí)現(xiàn)。ANSYS-CFX是目前唯一可以不通