A辑第15卷第3期 水动力学研究与进展 Ser.A,V ol.15,N o.3 2000年9月 JOU RN AL OF HYDRODYN AM ICS Sep.,2000
文章编号:1000-4874(2000)03-0366-14
输流管道流固耦合振动研究进展⒇
张立翔1, 黄文虎1, A S TIJSSELIN G2
(1.哈尔滨工业大学137信箱,黑龙江哈尔滨150001;
2.E indhov en University of Technology,P.O.Box513,5600M B Eindhov en,NL)
摘 要: 管道在众多的工业领域中具有十分广泛的应用,发挥着极其重要的作用。但管道在工作过程中由于流体流动状态的变化引起喘振,诱发出流体、管道间的耦合振动,其动力学行为十分复杂,一直受到学术界和工程界广大研究者的重视和研究。本文对该领域线性和非线性研究内容及进展作了综述和讨论。
关 键 词: 管道;流固耦合;喘振;非线性振动
中图分类号: O353.1 文献标识码:A
1 前言
早在19世纪上叶,人们就已发现,在无限大流体中的声波传播的速度为:
c0=K
d f(1)
Helmholtz发现在有限体积内,流体波动速度比c0小。对于不可压缩流体,Young[1]导出了考虑管壁弹性影响的压力波速为:
c1=
E W
d f D(2)
对于可压缩流体,Kortew eg[2]导出了考虑了流体可压缩性和管壁弹性对波动影响的波速公式为:
1 c2f =
1
c20
+
1
c21
或c f=
K
d f(1+
DK
E W
)-1(3)
式中,K为流体体积压缩模量;E为管道材料的弹性模量;D为管道直径;W为管壁壁厚。仔细考察式(1)、(2)和(3)可发现:如果管壁是刚性的(E→∞)或者流体是可压缩的(E>>
⒇收稿日期: 1999-09-25
基金项目: 水利部重点水利科技基金资助项目(SZ9830);云南省自然科学基金资助项目(97E0003G);英国SERC资助项目(G R/J54857)
作者简介: 张立翔(1959～),男,教授,博士,博导。
K ),则方程(3)转化成为方程(1);如果流体是不可压缩的(K >>E ),式(3)分母中的“1”相对很小,方程(3)转化为方程(2)。Halliw ell [3]考虑管道约束对波动的影响,对Ko rtew eg 公式作了修正,在方程(3)中增加了修正因子J 成为:
c F =
K d f (1+J DK E W
)-1(4)对具有伸缩节的约束,J =1(相当于不考虑轴向应力);沿程约束,管道轴向不可变形,J =1
-g 2(相当于不考虑轴向位移);一端约束,另一端阀门(流体压力直接作用在阀门上,管道可伸长变形),J =1-g /2。
Kortew eg 早在1878年就定性指出:若分析中不忽略管壁中的轴向应力,管材Poisson 比导致的径向收缩对压力波动的影响不能忽视,轴向应力波将沿管道运动,管道轴向惯性或径向惯性分别对于长波运动或短波运动的影响是不可忽视的。Korteweg 的思想被Gromeka [4]继承,并被Lamb [5]完善。Lamb 将流固之间的相互影响分为三种情况:管道运动对压力波的影响;管内流体对管道轴向振动和径向振动的影响,并定义了轴向应力波速为:c p =
E d p
(5)式中,d p 为管材质量密度。这就是最早流固耦合的概念的形成和具体表现,但原则上讲,这种早期的耦合表现形式并未能真正体现管道的流固耦合振动特性,即流体波动过程中管道并未振动,管道仍处于静止状态。Korteweg 的波速公式后来被俄国学者Joukow sky 用于分析Moscow 供水系统中的非定常流,发展出著名的Joukow sky 经典水锤理论[6]。2 流固耦合的主要形式
1956年,Skalak [7]继承并发展了Lamb 的工作,发现在无穷多个波动模态中,与充液管道基本波动对应的为具有有限相速度的两个最低阶模态:一个为流体压力波,即Young 波;另一个为管道轴向应力波,即Lamb 波。Lin&Morgan [8]也报道了与Skalak 类似的成果。H errmann
&Mirsky [9]研究了具有轴对称和非对称运动的流固耦合模型。Spllier [10]和Tang [11]分别用
MOC 法求解H errmann &Mirsky 方程和Lin &Morgan 方程,并由King &Frederick [12]使用
Lin &Morgan 方程完善了Skalak 的理论。Thorley [13]通过试验观测到了Lamb 波,证实了
Lamb 观点和Skalak 的双波耦合理论的正确性。
进入70年代,输流管道流固耦合振动(FSI)理论得以全面迅速地发展。DeAromond &
Rouleau [14]开展了管道中粘性流体FSI 的研究工作,发展了Lin&M org an 的工作。Rubinow &Keller [15]研究了粘弹性管道中的粘性流体多波模态下的FSI 问题。Kuiken [16-19]围绕粘性液体、气体、各向同性粘弹性管、预应力管以及热动力学等方面发表了一系列论文。Kalkwijk [20-21],Kot [22],Streeter [23],W ylie [24],Tijsseling [25]研究了流固耦合管道中的空化问题。
输流管道流固耦合振动中流体喘振和管道振动间的关系可通过图1加以说明[26]。根据耦合的不同机理,归纳起来输流管道流体结构耦合形式可分为如下几种:
2.1 摩擦耦合
此种耦合是由于管壁和粘性流体间存在相对运动,通过流体粘性摩擦力的相互作用所致的一种边界接触耦合。在一般情况下摩擦耦合对系统特性的影响不大,但在高频范围内,由于边界层出现类似于“团状运动”的流态,运动频率相关特性变得十分复杂。研究此类耦合效应的文献为数不多,Brow n [27-28]、D ′Souza and Oldenbruge [29]、H olmboe [30]研究了刚性管道中频率相
367
张立翔等:输流管道流固耦合振动研究进展
图1 流体喘振与FSI 的关系
关的摩擦耦合,Tentarelli [31]利用修正的Bessel 函数研究了非刚性管道的摩擦耦合。利用文献
[32]的分析方法可得由于摩擦耦合引起管道轴向运动的色散现象如图2所示,图中λ1为耦合压力波速;λ2为耦合轴向应力波速;_为流体的动粘性系数;0.02为粘性阻尼比;Re 表示实部;Im 表示虚部。由图2可见,由于摩擦耦合的存在,改变了系统的波动特性,使得轴向运动也变得具有色散效应
。
图2 摩擦耦合引起的色散
2.2 泊松耦合
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而导致的一种沿程耦合,因其耦合的强烈程度与管材的泊松比紧密相关而得名。这种耦合机理可通过图3简单说明:流体以流速V 流动,压升为p ;流动突然受阻(停止),产生的水锤压力升高为Δp ,其波前以速度c f 向上游方向运动,同时压升引起的环向应力通过泊松比诱发出速度为c p 的轴向应力波,应力波先于压力波向上游运动,所到之处又引起管径的收缩或膨胀引诱出新的压力升降。泊松耦合对管道特性的影响极为明显,尤其在某些情况下,泊松冲击效应的危害更是不容忽视。文献[33]对钢管Poisson 耦合所做的比较如图4所示。
2.3 结合部耦合管道的联结部位统称结合部。由于结合引起的流体压力失衡而诱发出的一种流体结构之
368水 动 力 学 研 究 与 进 展 2000年第3期
图3 Poisson 耦合示意图 图4 Poisso n 耦合对压力的影响
间的耦合,称为结合部耦合。结合部耦合的机理可通过图5说明,阀门处由于流动状态突变产生一压力波,压力波前以速度c f 运动,由于Poisso n 耦合引起的应力波前以速度c p 运动,则压力波在管道1与管道2的结合处及应力波前在管道2与管道3结合处由于力失衡引起耦合振动。较早研究这种耦合形式的是Regetz [34],他研究火箭供给系统压力和流速的振荡关系,并通过直管试验装置作了试验研究,实测了管道自由端的振动速度,证实了管道运动对流体运动特性有明显的影响。Blade [35]等发展了Reg etz 的工作,建立了流体压力、流速和管道应力、振动
速度的关系。Dav idson&Smith [36]建立了基于Timoshenko 梁的FSI 单弯管模型,并由Wood
&Chao [37]扩展到分岔及三维多肘管系统。Jones&Wood [38]导出了单管下游处阀门突关时由压
力诱发出的结合部耦合的理论表达式。Ellis [39]、Tijsseling &Vardy [40,41]研究了节制阀、T-形岔
管、90度弯管等的结合部耦合问题。结合部耦合对系统特性影响极为明显,文献[42]通过简单RPV 系统的频谱比较如图6所示,图中实线为耦合频谱
。
图5 结合部耦合示意图 图6 结合部耦合对系统频谱的影响
2.4 Bourdo n 耦合
管道弯段处截面形状往往不是圆形,并强制流动改变状态而引起压力变化,而流体压力的作用对弯道具有“拉直”的效应,流固间的这种耦合作用称为Bourdon 耦合。Clark
[43,44]研究了这种耦合效应,Watham
[45,46]对各类非圆形断面弯管的Bourdo n 效应作了系统研究,Tentarelli [31]通过J-型和L-型管道研究了此类耦合对系统的影响,得到的系统特性如图7。
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张立翔等:输流管道流固耦合振动研究进展
图7 J-型管Bo urdon耦合下的频谱特征
3 线性流固耦合振动分析模型
流固耦合分析使用最为普遍的是轴向运动的4-方程模型(Skalak[7]、D′Souza& Oldenbrug er[29]、Budny[47]、Lin&Mo rgan[8],Hermann&Mirsky[9],Bu rmann[48]、Barez[49]、Wiggert[6]、Tijsseling[25])和横向运动4-方程模型(Wiggert[50,51]、Vardy[52—54]、Obradovic[55]、Tijsseling[25])。轴向运动4-方程模型分别以流体动力学和固体动力学为基础建立方程,通过边界接触引入耦合:横向运动4-方程模型对流体的处理是将其作为只有质量而无动力效应的“填充物”,不能体现流固的动力耦合效应。文献[56]研究了耦合条件下管内液体的瞬变特性,文献[57]分别用H amilton变分和Gurtin变分系统地作了推证,并将其改造为对称的2-方程模型。Tentarelli[31]在Hov gaa rd[58]、Vigness[59]、Clark[43,44]、Wilkinson[60]研究的基础上,建立了描述Buo rdon耦合的弯管4-方程模型。根据研究的需要,可以组合成8-方程模型、12-方程模型及14-方程模型。线性条件下,流固耦合分析模型的一般形式为[42]:
[A]O
t+[B]
O
z+[C]O=r(6)
式中,[A]、[B]、[C]为系数矩阵,其中[C]项引起系统色散和耗散;为未知数向量;r为外激励向量,不同情况下各矩阵的形式参见文献[42]。耦合系统的频域特性也得到了较为全面的研究[42,61—67] 。
4 非线性振动
输流管道耦合振动具有自激振动的特性,属非线性动力学研究的重要内容,Paidoussis[68]称其为现代非线性动力学理论中充满新奇现象的一个万花筒和典范。文献[69]将一个最简单的输流管道中流体的喘振方程化为Van de Pol方程:
q-X q(1-U q2)+k20q=0(7)式中,q为流量变化量;X、U和k0为方程系数,说明了输流管道耦合振动的非线性属性。但由于非线性问题的复杂性,该领域的研究一方面探求系统动力模型,另一方面研究系统的非线性力学行为,表现出“建模”与“解模”并举的研究特点。
第一个正确地描述输流管道非线性运动的力学模型1939年由Bourrieres导出,表述为:
mu+2m f v f u′+m f v2f u″-EI(u′w′w′+u′w″w
370水 动 力 学 研 究 与 进 展 2000年第3期
-u w ′w ″-w ′2
u ′)-(pu ′)-2EA p u ′u ″=0
mw +2m f v f w ′+m f v 2f w ″-EI (u ′2w ′+u ′u ″w
-u ″w ′w ″-u ′w ′u ′)-(pw ′)-2EA p w ′w ″=0(8a,b)
式中,m 为单位长度管道质量+流体质量;m f 为单位长度管道内流体质量;v f 为流速;u 为管道轴向位移;w 为管道横向位移;p 为流体压力;“′”代表对坐标的导数;变量头上的“·”代表对时间的导数。该方程虽然附加了很多假设,但体现了管道振动的特性。
Paidoussis&Issid [70]综合了当时的几种模型,提出了一个描述管道横向运动的一般模型:
E *I w ″″+EIw ″″+{m f v 2f -T +p A f (1-2νW )-(m g -m f v f )(L -z )}w ″+2m f v f w ′+m gw ′+E k w +C d w +mw =0(9)
式中,E *为包含管壁材料Kelvin-Voig t 阻尼的弹性模量;E k 为地基变形模量;C d 为管壁材料粘性阻尼系数;T 为管壁轴向力;W 取0或1,代表管端不可滑动或可滑动。许多研究者利用与方程(9)类似的形式(忽略或增加一些项)研究输流管道的稳定问题,得到的结论性成果有:①随着流速的增加,系统有效刚度降低,自振频率减小,当流速增加达到一定值时,频率减小对应的模态振动出现分岔现象;②流体粘性对铰接管(articulated pipe )的动力学特性没有影响[71,72];③哥氏力的存在对系统的模态有重要影响,使系统不可能出现经典模态运动,向前和向后运动的波具有不同的相速度,且当流速v f ≠0,振动振型中存在行波分量[73];④当流速低于失稳临界流速的60%时,采用线性理论能得到好的结果,但当流速超过临界流速的60%时,非线性的影响十分重要而必须考虑;⑤对于无限长多跨简支管道,波动是间歇的,即有的区间有波动,有的区间无波动[74];⑥按Timoshenko 梁得到的失稳流速小于Euler -Bernoulli 梁[75];⑦两端刚性约束的管道不会发生颤振失稳[76,77]。
Thurman&Mo te [77,78]导出的考虑横向和轴向运动的无量纲控制方程为:
w -″″+(v -2f -Γ)w -″+2U 1/2v -f w ′+w =(κ-Γ)[32
w -′2w -″+u -′w -″+u -″w -′](10ab)(1-U )u -κu -″=(κ-Γ)w -″+w -′
式中,u -,w -为无量纲位移;v -f 为无量纲流速;U 为质量比;Γ为无量纲轴向力;κ=A p L 2/I 。该方
程隐含了定常流动的假设,使用Lindstedt 法和Krylov-Bog oliulov 法联合求解,发现失稳前的非线性自然频率比线性振动频率高,并且此差异随流速的增加而加大。
Paidoussis [80]研究了非保守系统的稳定特性,发现系统除具有一般的叉形分岔(pitchfork
bifurcation )失稳外,还可能具有与模态耦合颤振有关的其他失稳形式,称为Paidoussis 后失稳(post-diverg ence)。时隔两年,Holmes [75,76]通过研究Paidoussis 方程的无量纲简化形式:
w - ′+(v -2f κ2∫10(w -′)2d a )w -″+2U 1/2v -f w ″+e w +w =0(11)
证实了后失稳的存在,其中e 为无量纲阻尼系数。
Holmes [75,76]研究两端简支的管道在奇点λi =i 2c 邻域的稳定特性,发现虽然在奇点附近有
可能存在局部分岔,但极限环不存在,运动总是随时间的延续趋于非平凡平衡状态。并使用Galerkin 离散技术和中心流形理论研究了由方程(11)得到的四维系统q
1=p 1, q 2=p 2371
张立翔等:输流管道流固耦合振动研究进展
p 1=-c 2(c 2-v -2f )q 1-e c p 1+163U 1/2v -f p 2-12
κc 2(q 21+4q 22)q 1p 1=-4c 2(4c 2-v -2f )q 2-e c p 2-163
U 1/2v -f p 1-2κc 2(q 21+4q 22)q 2(12)在临界点邻域内的分岔特性,并说明4维系统不存在极限环,该结论可推广到无穷维系统,同时说明系统存在后失稳。Paidoussis [81]本人也得出相同的结论。
Bajaj [82]改进了Paidoussis [72]和Lundg ren [83]模型,得到一个分别描述轴向、横向运动,且流速为瞬变的二维模型:
u +2v -0U 1/2u ′+v -20u -″+u -″″=-u -″[U 1/2(1-a )v f +2v -0v -f +v
-f ]-2U 1/2v -f u ′-32{u -′[(u -″)2+(w -″)2]}′-[u -′∫
1a (u -′u +w -′w )d a ]′(13a)[U 1/2v f +2e v -0v -f +e v -2f +U ∫10(w -′w +u -′u )d a =0(13b)
以此研究一端固定,另一端自由的悬臂梁管道的分岔现象。研究表明,系统的稳定特性取决于三个参数,即:(管道不运动时的)稳态流速v -0;管道和流体质量比U ;流动能量损失系数e 。当流速较小时(小于分岔临界流速),稳定是渐近的;随流速的增加到某一值(临界流速),系统出现分岔失稳;证明在临界流速处满足Hopf 分岔条件,并用中心流形法研究了分岔后周期解
的特性。Bajaj&Sethna [84,85]把二维问题扩展到三维问题,发现在任何情况下,系统均有两个超
临界分岔存在,且当流速超过临界值后,运动在平面内分为两枝,随质量比U 的不同,运动可能由驻波通过叉形分岔成为行波,也可能通过鞍结点分岔后驻波和行波共存。
Rousselet &Herrmann [86]采用Krylov-Bog oliubov 平均法求解,研究了垂直悬臂管道在临界流速邻域内运动的极限环,发现在S —型临界线邻域内极限环的幅值是质量比U 的函数。Li
&Paidoussis [87]发现,存在亚临界的叉形分岔和超临界的H opf 分岔。
Ch ′ng &Dow ell [88]的研究表明,当U =0.5时,存在亚临界的Hopf 分岔,对于较小初始条
件,解收敛于原点;对于足够大的初始条件,收敛于极限环。
5 非线性流固耦合振动
输流管道非线性领域半个多世纪的研究历程,从Bourrieres 的第一个分析模型到Sem ler
&Paiduossis [89]的最新提出的数学模型:mu +m f v f +2m f v f u ′+m f v 2f u ″+m f v
f u ′-E A p u ″-EI (w ′w ″″+w ″w )+(T 0-P 0-E A )w ′w ″-m
g =0
(14a)
m w +m f v f w ′+2m f v f w ′+m f v 2f w ″-(T 0-P 0)w ″+EIw ″″
-EI (3u w ″+4u ″w +2u ′w ″″+w ′u ″″+2w ′2w ″″+8w ′w ″w +2w ″3)(T 0-P 0-E A p )(u ″w ′+u ′w ″+32w ′2w ″)=0(14b)
372水 动 力 学 研 究 与 进 展 2000年第3期
研究工作一直围绕“建模”工作展开,但至今没有一种能象线性问题那样得到一致公认和采用的分析模型。
考察各种模型会发现,几乎所有的研究工作都是以管道为对象,即建模过程中考虑流体运动对管道振动的影响,而忽略管道振动对流体运动的影响。因此,建立的模型仅是一种“半耦合”模型,均不能充分体现输流管道自激振动所固有的非线性耦合振动特性。
Lee -Pak -Hong [90]使用New ton 原理导出了第一个同时考虑管道和流体运动耦合的4-
方程模型:
轴向运动:
EA p u ″-(pA f )′-m f (v f +v f v ′f )-m g z -m p u =0(15a)
横向运动:
E Iw ″″+(pA f w ′)′+m f (v f w ′+2v f w ′+v 2f w ″+v f v ′f w ′)+m g w -mw =0(15b)连续方程:
(p A f )*+m f c 2F (v ′f -2g u ′)=0
(15c)
动量方程:
(pA f )′+m f (g w w ′+g z +v f +v f v ′f +f 2D v f |v f |)=0(15d) 式中,c 2F 为压力波速(的平方);g z ,g w 分别为重力加速度在两个变形方向上的分量;f 为
流体粘性摩擦系数,目前一般按层流考虑。该模型遗漏了多项非线性项(如离心力、哥氏力对轴向运动的影响,轴向运动和横向运动无耦合等),得到的模型虽简明,但显得过于简化,因为遗漏的众多非线性项被证实对系统动力学行为的影响是十分重要的。在分析过程中,Lee-Pak-Hong 又作了大量简化,将本来就十分简化的耦合的4-方程处理为一个耦合的Mathieu-H ill 方程,以此研究系统的稳定特性。
文献[91]使用Hamilton 变分和变形流体N —S 方程得到了更为完整的4-方程模型为:
mu +m f [v f (1+u ′)+2v f u ′+v 2f u ″+w v ′f ]+1c 2F
P (v f +u )-[(1-2g )D (1+u ′)]′+4d f DK
P ′v 2f -gm f (1-2g )(1+u ′)w ′-EI (7w ″w +w ′w ′)-
12E A p (2u ″+6u ′u ″+2w ′w ″)=0(16a)m w +m f [(1+w ′)v f +2w ′v f +v 2f w ″]+1c 2F
P (w +v f )-[(1-2g )D w ′]′-gm +EI w ″″-E I (u ″″w ′+6u w ″+9u ″w +4u ′w ′)-E A p (u ″w ′+u ′w ″)=0(16b)
1c 2F
P +m f [(1-2g )(u +v f )u ″-(u ′+v ′f )]-m f (1-2g )(u ′+u ′u ′+w ′w ′)=0(16c)
373
张立翔等:输流管道流固耦合振动研究进展
D ′+m f (u +v f )+m f w w ′+gm f w ′+
12
Df d f v 2f =0(16d) 考虑流体压力和不考虑流体压力效应时系统失稳分岔形式如图8和图9所示,图中所示系统流固耦合分岔形式与经典的叉形分岔形式有明显不同之处,尤其是考虑压力效应时,出现了新的分岔特点
。图8 无流体压
力效应时的分岔形式
图9 考虑流体压力效应时的分岔形式
6 混沌研究
混沌是强非线性运动所具有的一种力学现象,一般认为输流管道的运动是弱非线性的[79],故对混沌的研究相对较少。Tang &Dow ell [92]通过对管道施加强非线性力来研究其混沌特性,当作用力高到一定值时,管道运动出现混沌,而使系统出现混沌的力的临界值与流速密切相关。
Paidoussis&Moon [93]研究了线性自治系统由于约束非线性引起的混沌。结果表明,当约束作用力达到一定值时,系统出现倍频分岔而导致运动混沌。Paidoussis and Li [94]发现管道从逐级分岔到混沌的过程,即随流速的增加,系统依次出现H o pf 分岔、叉形分岔、倍频分岔、最后
进入混沌的状态。Heinsbroek &Tijsseling [95]通过从大到小改变系统的约束刚度,考察其运动
的变化,发现随约束刚度变小,系统运动出现倍频分岔并发展成混沌的过程。Paidoussis&Moon 和He insbroek&Tijsseling 的例子说明,输流管道出现混沌现象不唯一取决于系统是否强非线性,即使是弱非线性,甚至是线性系统,由于约束的影响,也会发展出混沌运动。
Paidoussis and Cusumano [96]研究了分形(fractal dimension)与分岔、混沌的关系。对于同
一管道,分形数d c = 1.03的运动对应一次倍频分岔;d c = 1.53对应第二次倍频分岔;而当分形数d c = 3.20时,系统运动进入混沌状态。Paidoussis and Sem ler [97]使用更为复杂的非线性模型:374水 动 力 学 研 究 与 进 展 2000年第3期
w +2v -f U 12w ′+e c w +v -2f w -″+V w -′+w - ′+(v f U 12-V )(1-a )w -″+2v -f U 12w ′w
′2+w -″w -′2[v -2f +32
(v f U 12-V )(1-a )]+12V w -′3+w - ′w -′2+4w -′w -″w - +w -″3+w -′∫a 0
(w ′2+w -′w ′)d a -w -″[∫1a ∫a
0(w ′2+w -′w ′)d a d a ]+w -∫1a (12v f U 12w -′2+2v -f U 12w -′w ′+v -2f w -′w -″)d a =0(17)
研究了系统混沌特性,首次发现过去的某些研究之所以不能获得收敛的解,是因为方程中忽略了某些非线性项导致解发散。事实上,一个完整的非线性描述会导致系统发生所谓的后混沌(post -chaotic )而使系统重新趋于稳定,这一发现与试验观测相吻合。
7 结语
输流管道流固耦合振动问题,在航天、电力、深海油气资源开发等尖端科技领域具有十分重要的意义。该领域的研究中虽已有较长的研究历史,发表的研究成果也十分丰富,但由于问题的复杂性和多样性,研究工作大都针对较为简单的对象,譬如悬臂梁、简支梁式管道等。但可以预见,输流管道流固耦合振动问题作为非线性学科和相关工程领域的应用方面均会有较大的发展。
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Review of FSI analysis of fluid
-conveying pipes ZHAN G Li -xiang 1, HU AN G Wen -hu 1, A S TIJSSELIN G
2(1.Harbin Institute of Technology,P.O.B ox 137,Harbin 150001;
2.Eindhov en Univ ersity of Technolog y,P.O.Box 513,5600M B Eindhov en,NL)
Abstract : Pipes are widely used in industry and play a quite impo rtant role.A Coupling vibratio n induced by a fluid surg e may attack a w orking pipe which ex hibits compl icated dy na mica l behav io r.Fo r many years,this subject ha s been ex tensiv ely studied in both the l inea r a nd the non-linea r analy sis in the academic and the eng ineering communities,and a lo t o f results hav e been r epor ted.In this paper ,the typica l achiev ements in the resea rch field w ere introduced a nd reviewed.
Key words : pipes;fluid structure interaction;surg e ;no n-linear vibratio n 379
张立翔等:输流管道流固耦合振动研究进展
输水管道振动分析 水利水电工程和农业水利工程中，为了减小蒸发、输水方便、利于控制，常采用压力管道进行输水。在管道输水过程中，往往会发生管道的振动现象，若管线长期振动会遭受疲劳破坏，进而引发管线断裂、水体外泄等事故。应在设计中予以考虑。 1.输水管道振动机理 在压力和流速作用下，管道壁会承受动水压力，动力设备、来流条件、流体输送机械操作和外部环境的刺激会使管道产生随机振动。 管道、支架和相连设备构成一个结构系统，在激振力的作用下，系统会发生振动。管道振动分为两个系统：一个是管道系统，一个是流体系统。 压力管道的激振力来源于系统自身或系统外部。来自系统自身的激振力主要有与管道相连接的机器的振动和管内流体不稳定流动引起的振动；来自系统外的主要有风、地震等。振动对压力管道而言是交变荷载，危害程度取决于激振力的大小和管道的抗震性能。 2.管道激振力分析 来自系统内部的激振力主要有以下几种： 2.1 由于运动要素脉动产生的脉动压力 实际工程中的液体流动多属于紊流，其基本特征是许多大小不等的涡体相互混掺着前进，在流动过程中流速、压强等运动要
素会发生脉动，继而产生脉动压强和附加切应力，管道在此作用下会发生振动。 2.2 由于气蚀产生的冲击力 对于部分压力管道，基于提供水流动能和节省工程投资的需求，常选择断面较小的管道，管道内流动的水流为高速水流。水流流动过程中动能较大，压能较小，当压强低于同温度下的气化压强时，部分液体发生气化，产生空泡。空泡随液流前进的过程中逸出，当压强增大，其自身的存在条件被破坏后，空泡发生溃灭。空泡在管壁附近频频溃灭，会在瞬间产生较大的冲击力，使管道发生振动。 2.3 由于水击产生的水击压力 压力管道中流动的液体流速因某种外界原因发生急剧变化时（如阀门开启或关闭），由于液体具有一定的压缩膨胀性，液体内部压强产生迅速交替升降，这种交替升降的水击压力像锤子击打在管壁、阀门或其他管路元件上一样，造成管道的弹性变形和振动。 3.削减管道振动作用的措施分析 3.1管道材料的选择 管道材料不同，其结构性能也不同。为了减轻振动，首先应选择抗震性能较强、弹性较好的材料。如同等条件下，应首选钢管、UPVC管，其次是铸铁管、混凝土管。 3.2 消减流体振动
调节阀-管道-流体系统流固耦合动态特性研究 摘要：针对调节阀－管道－流体系统的流固耦合问题，建立了考虑阀门定位器作用的系统动态仿真模型，给出了求解调节阀阀芯－阀杆系统响应的预估－校正算法和求解调节阀－管道－流体系统响应的流固耦合有限元方法，利用ANSYS 软件对系统在固定开度与变开度情况和流开型与流闭型情况下振动响应进行了 定性分析。研究表明：在给定压差下，管道以及流体流向对调节阀阀芯－阀杆系统的位移响应以及阀芯受到的流体不平衡力响应都有较大影响。 调节阀或称控制阀在冶金、电力、化工、石油等工业过程控制系统中起着重要作用。调节阀性能的提高往往因其振动问题而受到制约，在某些工况下产生的振动往往是引起各种事故的主要原因，振动严重时甚至引起阀杆断裂，影响机组安全平稳地运行。导致调节阀振动的主要原因是阀体内部流体流动的不稳定性。这种流体诱发振动的现象往往引起管道系统与工业过程控制系统的大幅振动与破坏。调节阀实际应用中往往出现这种情况，在出厂前不连接管道条件下进行的调节阀振动性能试验可以达到设计标准，但现场管网系统中使用的调节阀在运行过程中却在某些工况下发生剧烈振动。这是因为在实际工作环境中，调节阀振动不仅与阀体内部流体流动的不稳定性有关，而且通过流体与相连接的管道振动相互作用。为了解决这个问题，需要把调节阀、管道和流体作为耦合系统来考虑，通过分析耦合系统内部的相互作用，来研究其振动规律和机理。 关于调节阀-管道-流体系统中流固耦合相互作用的研究基本上分为两个方面：一方面，在管道动力学中，只侧重研究流体与管道流固耦合产生的流致管道振动，既使出现调节阀，也仅将其作为模拟阀门开关的流体扰动源或时变边界条件，而大多忽略调节阀自身的动态特性；另一方面，在调节阀动力学中，仅侧重研究调节阀内流体与阀芯流固耦合产生的阀芯-阀杆系统振动，而不考虑管道影响。将管道动力学与调节阀动力学结合起来，以调节阀-管道-流体系统振动为对象的研究成果，目前很少见相关文献报道。 本文以某型号单座式调节阀为对象，研究由调节阀与其两端充液管道组成的调节阀-管道-流体系统的流固耦合振动问题。通过对系统的有限元流固耦合模型进行仿真，分析流开型和流闭型调节阀在固定开度和变开度条件下系统的动态响应。 1.调节阀流固耦合动力学模型 1.1 单座式调节阀结构 单座式调节阀整体结构如图1所示。
有问题可以发邮件给我一起讨论xw4996@https://www.doczj.com/doc/4415970156.html, FSI流固耦合命令求解流固耦合问题 使用ANSYS计算结构在水中的模态时, FLUID29,FLUID30单元分别用来模拟二维和三维流体部分,相应的结构模型则利用PLANE42单元和SOL ID45等单元来构造，其中，PLANE42和SOL ID45分别是用来构造二维和三维结构模型的单元。FLUID30是流体声单元,主要用于模拟流体介质及流固耦合问题。该单元有8 个节点,每个节点上有4 个自由度,分别是XYZ上3个方向位移自由度和1个压力自由度,为各向同性材料。输入材料属性时,需要输入流体的材料密度(作为DENS 输入)及流体声速(作为SONC输入),流体粘性产生的损耗效应忽略不计。FLUID29是FLUID30单元在二维上的简化，少了一个Z向的位移。SOLID45单元用于构造三维实体结构。单元通过8 个节点来定义,每个节点有 3 个沿着XYZ方向平移的自由度。PLANE42是SOLID45单元在二维上的简化。 在利用ANSYS建模分析时,流场域单元属性分为2种,由KEYOPT(2)(指定流体和结构分界面处结构是否存在) 控制,在流固耦合交界面上的单元KEYOPT(2) = 0 ,表示分界面处有结构,其他流体单元KEYOPT(2)=1,表示分界面处无结构。流体-结构分界面通过面载荷标志出来,指定FSI label可以把分界面处的结构运动和流体压力耦合起来,分界面标志在分界面处的流体单元标出。 数值分析的步骤 1) 建立流体单元的实体模型。建立流体模型,需要确定流体域的范围,可以把无限边界流体简化成流体区域的半径为固体结构半径的10倍。 2) 标记流固耦合界面。选取流体单元中流固交界面上的节点,执行FSI 命令,流固耦合交界面的处理:流体与固体是两个独立的实体,在划分单元时在两者交界面上的单元网格要划分一致,这样在交界面上的同一位置一般就有两个重合的节点,一个节点属于流体单元,一个节点属于固体单元,这两个重合节点在交界面的位移强制保持一致。 3) 建立固体结构实体模型。建立固体结构模型，定义单元属性，采用映射方式进行网格的划分。 4) 施加约束条件。由于流体区域的尺寸远大于固体结构尺寸，故可以不考虑流体液面的重力的影响，将流体边界处的单元节点上施加压力(PRES) 为零的约束。因为选择的算例为悬臂结构，在固体结构底部加全约束。 5) 选择求解算法，进行求解。定义分析类型为模态分析，设定提取频率阶数和提取模态的方法。因为耦合问题的刚度矩阵，质量矩阵都不对称，需要采用非对称矩阵法(UNSYMMETRIC)求解。 6) 查看结果。进入后处理模块，查看结构模型的频率及振型。 以半浸没与水中的桥墩模态问题为背景，并假设： 1. 桥墩为实心等截面的实体，实际桥墩模型应该是空心壳体，截面尺寸也 非常复杂，因而需要分块划分单元。
分析管道震动与裂缝的原因及其消除措施 摘要：管道振动与裂缝的存在严重干扰正常生产，造成安全隐患，积极解决这类问题对实现安全生产有重要意义。本文介绍了管道振动与裂缝产生的原因，并结合原因分析探讨了如何实现减震消震的举措，希望能够改善管道振动与裂缝现象，促使压缩机安全运行。 关键词：管道振动减震消震管架 石油化工领域往复式压缩机应用较为普遍，这类机械常见问题为管道振动与裂缝，尤其是压缩器工作时，缓冲罐等容器刚性连接的地方经常出血裂纹，不仅影响正常生产应用，还存在较大的安全隐患，所以积极分析压缩及管道振动和裂缝出现原因，并积极探讨消除措施，是实现安全生产的重要举措。 一、管道振动与裂缝产生原因 管道振动与裂缝的产生主要以气流脉动、共振和内部机械原因为主。往复式压缩机工作时需要通过活塞在气缸内的往复运动实现气体的吸入、压缩和排出，这种周期性运动决定了管道进出口内流体呈现脉动状态，一旦气流遭遇管件产生激振力，即可产生管道振动现象。管道内容纳的气体可称为气柱，压缩机工作时促使气柱不断压缩、膨胀，以激发频率工作，管道内部管件与支架组成弹性系统以固有频率运作，当激发频率与固有频率接近或相等时导致压力脉动异常从而产生管道内的机械共振现象[1]。内部机械原因主要为管道设计不合理、内部机械动平衡性能差、基础与支撑不当等，导致压缩机工作时出现管道振动现象甚至造成裂缝。 二、管道振动与裂缝消除举措分析 1.管道减震 目前，管道减震措施主要以三种为主，分别是通过控制气流脉动、合理设计管道来减少谐振发生，通过调整激发频率和固有频率避免其相近或固定，通过合理设计管道装配结构、调整牢固压缩机组实现减震目的。往复式压缩机内决定压力脉动和振动发生的二因素主要包括压缩机参数、系统噢诶之与压缩介质的物理参数，三种因素在振动的发生中有着重要影响[2]。 减震举措中，减少气流脉动是常见方法，可通过设置缓冲器实现减震目的，缓冲器内部的芯子元件可有效减弱压力脉动，效果理想。设置缓冲器是常用的时段，缓冲器的村子啊可有效调整气流脉动幅值，改变气柱固有频率，不过在缓冲器体积选择和位置安放上要注意选择气流脉动发源处以达到最佳减震效果。固有频率的调整是消除压力脉动、避免共振的有效方式，调整目的的实现可通过改变管路尺寸、走向和位置等举措达到目的，或者也可从用缓冲罐等设备实现目的。压缩机运转时通过调整主机平衡度可改变固有频率，在振动情况较为严重的管路
输流管道线性流固耦合计算方法在核电工程中的应用 管道流致振动现象广泛存在于核电厂内，使管道产生疲劳和噪声，对管系安全造成威胁。文章对管道流致振动的原理进行探讨，并通过对两端简支输流管振动总响应计算方法的简化，得到输流管线挠度与流速的关系式，并与流固耦合数值仿真计算进行对比，两者结果非常吻合，这表明用线性流固耦合仿真技术为核电厂管道设计与验证提供参考是可行的。 标签：流固耦合；流致振动；管道内流 1 概述 核电厂内分布大量管道系统，运行时发生流致振动现象十分普遍，振动会使管道产生疲劳和噪声，对管系安全造成威胁。常用工业规范（ASME、RCCM）对于管道流致振动的控制与验证未给出明确方法，因此需从原理上探索流致振动的原因，并找到可应用于工程的实用方法。虽然工业规范不完善，但流致振动问题却是国内外学者的研究热点，产生了很多重要研究成果，比如Blevins早在1990年就发表了经典专著[3]，对流致振动原因进行总结和分析；Paidoussis于2014年发表的管道内流流致振动专著[1]，对管道线性与非线性流固耦合方程进行全面介绍。以上研究都基于理论公式推导，并未与当前商用数值仿真软件融合。文章通过对输流管道线性运动方程的推导和简化，得到管内流速与管道最大挠度的关系，并与用仿真软件计算的结果对比，两者结果非常吻合，表明数值仿真方法在输流管道线性流固耦合分析中精度较高，可用于工程设计。 2 简支输流管线性流固耦合运动方程 2.1 简支输流管线计算模型 如图1所示，两端简支的输流管线偏离平衡位置，形成横向挠度Y，跨距为L的跨距。我们从管道上切下管道和流体两个微元，为每个微元进行受力分析。流体密度为？籽；压力为p；流速为v。管子横截面积A；长度为L；弹性模量为E；截面惯性矩为I；管道单位长度质量为M。 2.2 管道与流体微元平衡方程 由于管道振动，流体产生加速度、同时竖直方向有流体压力分量、管壁作用在流体上的压力F，上述力在竖直方向平衡可得： 流体沿管子长度方向压力梯度由管壁摩擦的剪切应力平衡，其方程为： 其中S为管内壁周界，q为管内表面剪切应力。 定义M为无水管道单位长度质量，管子横向剪切应力为Q，管子纵向拉应
第18卷 第5期岩石力学与工程学报18(5):497～502 1999年10月Ch inese J ou rna l of R ock M echan ics and E ng ineering O ct.,1999 渗流的流固耦合问题及应用 徐曾和 (东北大学岩石破裂与失稳研究中心 沈阳 110006) 博士学位论文摘要 渗流过程中的孔隙改变,既影响流体质量,又会引起介质渗透率的变化,导致非线性流固耦合作用。因此研究应力与孔隙压力共同作用下孔隙改变的机制是重要的。首先考察了经典渗流力学的基本假定,说明忽略总应力对孔隙改变的作用是经典渗流力学及其他非耦合理论不能研究流固耦合作用的基本原因。 饱和多孔介质是不溶混的混合物,内部孔隙结构对多孔介质整体和孔隙改变的响应方程有影响。导出了多孔介质的响应方程及有效应力系数Α1、孔隙改变的响应方程和有效应力系数Α2以及孔隙压缩模量K p。证明有效应力系数Α1和Α2小于1,K p小于固体基质的相应模量。它们都取决于组成多孔介质的固体基质的力学性质和孔隙结构。还证明了对于孔隙的变形,总应力比孔隙压力更重要。任何排除总应力影响的理论,其出发点均不尽合理。 研究了流固耦合机制。在渗流过程中,介质整体变形和孔隙变化是应力和孔隙压力相互作用的结果;孔隙改变会影响两相物质之间的扩散力和流体的质量守恒方程;扩散力和孔隙压力对两相物质的动量守恒有影响。这是一些主要的耦合机制。在混合物理论的基本框架内建立了渗流耦合问题的基本方程,考虑了流体与固体之间的多种耦合作用,如线性耦合、非线性耦合、非牛顿流体渗流的耦合作用、饱和多孔介质的动力响应等;由于渗流定律是孔隙流体动量守恒方程的特殊情况,应用混合物理论可以从实验得到的非线性一维渗流定律导出非线性渗流的三维定律;从上述研究还容易看出,B i o t的三维固结理论只考虑了多孔介质整体压缩(膨胀)对流体动量守恒方程的影响,反映了流体与固体之间最简单的、线性的相互作用。 对某一边界上正应力和孔隙压力为常量的渗流耦合问题,提出了一种解耦方法,并得到了平面应变和广义平面应力状态下,含圆孔的饱和多孔地层中定量抽放和定压抽放问题的解析解。通过这些解答可以看出,对于稳定渗流,线性耦合理论(B i o t 理论)与非耦合理论没有差别;对非稳定渗流,线性耦合理论与经典渗流力学有明显的量的差别,但没有性质的变化。与弹性:若不考虑渗透率的变化,可压缩流体渗流引起的非线性相互作用以一个高阶小量体现出来,因此与近似的非耦合分析的结果相差不远。 研究了稳定渗流和非稳定渗流情况下非线性流固耦合问题的特点,并求出了含单一圆孔的问题和单向渗流问题的解答。从中可以看出,非线性耦合问题与不耦合的经典渗流力学和弹性力学,不仅在量值上有明显差别,性质也有不同;并指出,非稳定渗流需要考虑更多的因素。当渗流达到最终的稳定状态时,某些因素,如原岩应力强度对渗流的影响消失。并研究了初始应力对渗流的影响。 证明了可变形多孔介质一维稳定渗流时,小试件内的孔隙压力梯度在流动方向上是不均匀的。仍然沿用经典渗流力学的方法测试渗透系数,将导出流体质量不守恒的不合理推论。由此提出了可变形多孔介质渗透系数的新的测试方法。结合渗流的实验研究和微分方程反问题的数学方法,可得到可变形多孔介质的渗透系数。对粒状多孔介质进行的试验表明,按不同的试验方法得到的渗透系数相差较大。 关键词 渗流,多孔介质,饱和,孔隙变化,混合物,解耦方法,线性相互作用,非线性相互作用,可压缩流体,渗透系数,测试方法,反问题 FL U I D-S OL I D INTERACT I ON OF SEEPAGE AND ITS APPL I CAT I ON Xu Zenghe (Cen ter f or R ockbu rst and Ind uced S eis m icity R esea rch,N ortheastern U n iversity, S heny ang 110006 Ch ina) 1999年7月11日收到来稿。 作者徐曾和简介:男,1958年生,1998年在东北大学采矿工程专业获博士学位,导师是徐小荷教授;现在东北大学工作,主要从事岩石失稳破裂与渗流耦合问题的研究。 ? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. https://www.doczj.com/doc/4415970156.html,
流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，它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二者相互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。 流固耦合问题可由其耦合方程定义，这组方程的定义域同时有流体域与固体域。而未知变量含有描述流体现象的变量和含有描述固体现象的变量，一般而言具有以下两点特征：1）流体域与固体域均不可单独地求解 2）无法显式地削去描述流体运动的独立变量及描述固体现象的独立变量 从总体上来看，流固耦合问题按其耦合机理可分为两大类: 第一类问题的特征是耦合作用仅仅发生在两相交界面上，在方程上的耦合是由两相耦合面上的平衡及协调来引入的如气动弹性、水动弹性等。 第二类问题的特征是两域部分或全部重叠在一起，难以明显地分开，使描述物理现象的方程，特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立，其耦合效应通过描述问题的微分方程来体现。 实际上流固耦合问题是场（流场与固体变形场）间的相互作用：场间不相互重叠与渗透其耦合作用通过界面力（包括多相流的相间作用力等...）起作用，若场间相互重叠与渗透其耦合作用通过建立不同与单相介质的本构方程等微分方程来实现。 （1）试列举出至少三个经典的加权残值方法，并简述伽辽金法的基本思想。 最小二乘法、配点法、子域法、伽辽金法、矩量法； 伽辽金法采用微分方程对应的弱形式，其原理为通过选取有限多项式函数（又称基函数或形函数），将它们叠加，再要求结果在求解域内及边界上的加权积分（权函数为势函数本身）满足原方程，便可以得到一组易于求解的线性代数方程，且自然边界条件能够自动满足。 应用这种方法可以将求解微分方程问题（通过方程所对应泛函的变分原理）简化成为线性方程组的求解问题。而一个高维（多变量）的线性方程组又可以通过线性代数方法简化，从而达到求解微分方程的目的。 （2）与有限元方法（finite element method）相比无网格方法（Mesh-less method）有何优势？
文章编号:1671-3559(2004)02-0123-04 收稿日期:2003-12-03 基金项目:山东省科学技术发展计划资助项目(012050107);山 东省自然科学基金资助项目(Y 2002F19) 作者简介:郭术义(1971-),男,山东济南人,山东大学机械工 程学院博士研究生。 流固耦合应用研究进展 郭术义,陈举华 (山东大学机械工程学院,山东济南250061) 摘 要:流固耦合力学是一门新兴学科。本文简要介绍了该学科的典型应用进展情况,总结了各种研究中的典型方程、数值解法,展望了进一步发展的趋势。关键词:流固耦合;数值模拟;展望中图分类号:O35112;O34717 文献标识码:A 流固耦合力学是一门比较新的力学边缘分支, 是流体力学与固体力学二者相互交叉而生成的。它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场的影响。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用:固体在流体动载荷作用下产生变形或运动,而固体的变形或运动又反过来影响到流场,从而改变流体载荷的分布和大小。总体上,流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。本文就流固耦合问题的两大分类中三种基本情况进行了讨论。 1 流固耦合典型应用 流固耦合作用的研究在航空、航天、水利、建筑、石油、化工、海洋以及生物领域都有着十分重要的意义。如液体晃动对火箭飞行稳定性的影响,大型贮液管在地震激励作用下产生的流固耦合作用,液体湍振对输液管道的影响。本文就如下三个大方面进行了总结。1.1 输流管道流固耦合 流体引起输流管道振动的研究最初来源于横跨 阿拉伯输油管道振动的分析[1]。管道在众多的工业领域中应用十分广泛,作用极其重要。但是,在管道 内流体流动状态的微弱变化往往引起在工作过程中的湍振现象,诱发流体、管道之间的耦合振动,动力学行为相当复杂。这使得人们很早就开始了这方面的研究,Paidoussis M P [2]是其中最具有代表性的。输流管道的振动问题之所以能引起学者的兴趣,除因为该问题的广泛工业背景和现实意义之外,还因为输流管道虽然是最简单的流固耦合系统,但它却涉及了流固耦合的大多数问题,并且它的物理模型简单,系统比较容易实现,因而便于理论与试验的相互协同。 考虑因素侧重面的不同,输液管道非线性运动方程有几种类型[3-5],它们之间有一定的差别。它们的基本假设都是:流体无粘且不可压;管道作为梁模型来处理;管道只是在平面内振动。尽管输流管道的非线性动力问题受到50多年极为广泛的研究,但至今尚没有一个公认的模型。文[6]建立的4个独立变量(轴向位移、横向位移、流速和压力)的全耦合模型(耦合形式包含摩擦耦合、P oiss on 耦合、结合部耦合以及管道轴向和横向运动的耦合)在众多的非线性分析模型中是一个较为完整的模型。 m ¨u +m f [ υf (1+u ′)+2υf u ′+υ2 f u ″+ ωυ′f ]+ P (υf + u )/c 2F -[(1-2υ)P (1+u ′)]′+4f ρf ρ′?υ2f /DK -gm f (1-2υ)(1+u ′)ω′-EI (7ω″ω +ω′ ω )-E A p (2u ″+6u ′u ″+2ω′ω″ )/2=0(1)m ¨ω+m f [ υf (1+ω′)+2υf ω′+υ2f u ″+ω″υ2 f ]+ P (υf + ω)/c 2F -[(1-2υ)P ω′]′-gm +EI ω″″-EI (u ′ω′+6u ″ω +4u ′ω ′)-E A p (u ″ω′+u ′ω″ )=0(2) P /c 2F +m f [(1-2υ)( u +υf )u ″- u ′+υ′f ]-m f (1-2υ)( u ′+u ′ u ′+ω′ ω′ )=0(3)P ′+m f (¨u + υf )+m f ¨ωω′+gm f ω′+Df ρf υ2 f /2=0 (4)随着对输流管道问题研究的深入,各种不同的 分析计算方法也相继被提出。其中有限元法(FE M ) 第18卷第2期2004年6月 济南大学学报(自然科学版) JOURNA L OF J I NAN UNI VERSITY (Sci.&T ech 1) V ol.18 N o.2 Jun.2004
汽水管道振动的原因分析及解决方法研究 摘要：汽水管道在运行过程中会出现管道振动的情况，然而这种管道振动对于整个系统是不利的。本文主要针对汽水管道振动产生的原因进行分析探究，同时针对振动的原因提出了相关的解决措施。 关键词：汽水管道、管道振动、原因分析、解决方法 一、前言 振动是汽水管道系统运行中的一种常见现象，管道的剧烈振动可能导致管道系统及相关附件产生损坏及功能失效，管线长期受到振动影响会产生局部的集中应力。长时间的大幅度振动可能造成管道局部发生疲劳破坏，并对连接的设备产生附加推力，而造成管道连接设备的损害甚至严重的会影响整个系统安全运行。 二、汽水管道中常见的振动 1、介质汽化导致管路振动 以水为介质，当水泵入口温度高于入口压力下的饱和温度时,以及出口流量小于泵的最低流量时,介质水即要产生汽化。泵汽化时泵出口压力、流量下降或晃动，泵体及管道发生噪声和异常振动泵电机电流下降晃动。当泵发生汽化时，应立即停运故障泵启动备用泵。并做以下检查: （1）检查泵在低负荷运行时在循环管路是否畅通，其给水流量是否大于泵的最小流量，避免介质在泵内长期磨擦发生汽化。 （2）检查给泵入口的进口温度、压力是否符合设计要求，滤网是否堵塞,避免由于进口压力过低造成汽化。 （3）检查泵吸入口高度是否符合设计要求，是否满足泵所要求的必须汽蚀余量高度要求。 2、汽液两项流引起的管道振动 在运行时管道内存在着大量气体，如不能及时排出，则降低管道有效流通面积，阻碍液体的正常流动，在气体发生爆破时对管道产生汽蚀冲击，引起管道振动。当压力管道的阀门突然关闭或开启时,当水泵突然停止或启动时,因瞬时流速发生急剧变化引起液体动量迅速改变,而使压力显著变化，还会发生水击现象。 3、支吊架设计不良
流固耦合概述及应用研究进展 摘要 流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支。顾名思义，它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二者交互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid．solid interaction)：变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。总体上 , 流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上 ,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起 ,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。 1 流固耦合概述 1．1引言 历史上，人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题。Wright兄弟和其它航空先驱者都曾遇到过气动弹性问题。直到1939年二战前夕，由于飞机工业的迅猛发展，大量出现的飞机气动弹性问题的需要，有一大批科学家和工程师投入这一问题的研究。从而，气动弹性力学开始发展成为一门独立的力学分支。如果将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮的话，则与风激振动及化工容器密切相关的研究可作为流固耦合研究的第二次高潮。 事实上，从美国ASME应用力学部召开的历次流固耦合研讨会上可以看出，流固耦合问题涉及到很多方面。比如：空中爆炸及响应，噪声相互作用问题，气动弹性，水弹性问题，充液结构内的爆炸分析，管道中的水锤效应，充液容器的晃动及毛细流中血细胞的变形，沉浸结构的瞬态运动，流固相互冲击，板的颤振及流体引起的振动，圆柱由于热交换引起支持附件松动的非线性流固耦合系统，声音与结构的相互作用，涡流与结构的相互作用，机械工程中的机械气动弹性问题等等。 1.2流固耦合力学定义和特点 流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的--I'l力学分支。顾名思义，它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二者交互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用（fluid-solid interaction)．变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。流固耦合问题可由其耦合方程来定义，这组方程的定义域同时有流体域与固体域，而未知变量含有描述流体现象的变量及描述固体现象的变量，一般而言，具有以下两点特征： a)流体域或固体域均不可能单独地求解； b)无法显式地消去描述流体运动的独立变量或描述固体运动的独立变量。 1．3流固耦合力学涉及领域及分类 流固耦合问题涉及到很多方面。比如：工程实际中所涉及到的流固耦合问题，
汽水管道振动原因分析及治理 摘要:水击是压力管道中一种非恒定流，水击引起的压强升高，可达管道正常工作压强的几倍，甚至几十倍。这种大幅度的压强波动，使管壁材料及管道上的设备及附件承受很大的压力，压力的反复变化，会引起管道和设备的振动，严重时会造成管道、管道附件及设备的损坏，对电厂的安全稳定生产构成严重威胁。根据水击发生的原因及其表面现象，及时采取适当技术措施，避免水击的发生，保证电厂汽水管道的安全运行。 关键词:汽水管道；水击；危害；防范处理 在热力发电厂生产中，经常会发生汽水管道的水击现象，如处理不当，管道的水击轻者增大了管道的流动阻力，重者损坏管道及设备，甚至危及人身安全，因此对汽水管道水击现象的防范处理对于保证热力发电厂的安全运行具有重要意义。 1. 水击现象及其危害 水击是压力管道中一种非恒定流，当管道中的阀门突然关闭时，管内流动的水会发生水击现象，管内流动的蒸汽会发生汽锤现象，即水流速度或汽流速度发生突变使管内的水压或汽压先突升形成压缩波，后突降形成压强波，并重复下去，一直衰减至稳定的压力。水击引起的压强升高，可达管道正常工作压强的几倍，甚至几十倍。这种大幅度的压强波动，使管壁材料及管道上的设备及附件承受很大的压力，并伴随着管壁的扩张和收缩，引起管道强烈振动；同时，高频交变压力作用在管壁上，加之强烈的振动和流体的冲击，使金属表面打击出许多麻点，如果此时管道系统存在缺陷，则有可能对管系或设备造成破坏，导致事故的发生，严重时会危及调试人员或运行维护人员的生命安全。 1.1 蒸汽管道的水击现象及特征。在热力发电厂中水击现象最容易在蒸汽管道中发生，主要集中在主再热蒸汽管道、抽汽管道、汽封管道、高低加疏水管道等，蒸汽管道产生水击通常是以下几种状态比较普遍： （1）蒸汽管道由冷态备用投入运行，因进汽阀门开启过快或过大导致管道暖管不充分，疏水不彻底，致使送出的蒸汽部分凝结成水，体积突然缩小，造成局部真空，周围介质将高速向此处冲击，发出巨大的音响和振动，从而产生水击。 （2）汽轮机、锅炉负荷增加速度过快，或者锅炉汽包发生满水、汽水共腾等事故，使蒸汽带水进入管道，发生汽水冲击，造成管道振动。 （3）运行的蒸汽管道停运后相应疏水没有开启或开度不足，在相关联的进汽阀门未关闭严密情况下，漏入停运管道内的蒸汽逐渐冷却为水并积聚在管道中，在一定时间后，管道发生水击，产生剧烈的振动和刺耳的声响。蒸汽管道发生上列水击现象时，主要的特征一是管道系统发生振动，管道本体、支吊架及管道穿墙处均有振动，水击越强烈振动也越强烈；二是管道内发出刺耳的声响，如
流固耦合定义：它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二者相互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用,变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。 (一)流固耦合动力学：求解方法与基本理论---张阿漫，戴绍仕 ●有限元法 ●边界元法 ●SPH法与谱单元法 ●瞬态载荷作用下流固耦合分析方法 ●小尺度物体的流固耦合振动 ●水下气泡与边界的耦合效应 按耦合机理分两大类： 1 耦合作用只发生在两相交界面---界面耦合（场间不相互重叠与渗透），耦合作用通过界面力（包括多相流的相间作用力等）起作用。它的计算只要满足耦合界面力平衡，界面相容就可以了（其耦合效应是通过在方程中引入两相耦合面边界条件的平衡及协调关系来实现的）。如气动弹性，水动弹性等。 按照两相间相对运动的大小及相互作用分为三类： (1)流体和固体结构之间有大的相对运动问题"最典型的例子是飞机机翼颤振和 悬索桥振荡中存在的气固相互作用问题,一般习惯称为气动弹性力学问题" (2)具有流体有限位移的短期问题"这类问题由引起位形变化的流体中的爆炸或 冲击引起"其特点是:我们极其关心的相互作用是在瞬间完成的,总位移是有限的,但 流体的压缩性是十分重要的" (3)具有流体有限位移的长期问题"如近海结构对波或地震的响应!噪声振动的 响应!充液容器的液固耦合振动!船水响应等都是这类问题的典型例子"对这类问题, 主要关心的是耦合系统对外加动力荷载的动态响应" 2 两域部分或全部重叠在一起，难以明显的分开，使描述物理现象的方程，特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立，其耦合效应应通过建立与不同单相介质的本构方程等微分方程来体现。 按耦合求解方法分两大类： 1 直接耦合求解：直接耦合是在一个求解器中同时求解不同物理场的所有变量，需要针对具体的物理现象来建立本构方程，其耦合效应通过描述问题的微分方程来体现。 2 间接耦合求解：而间接耦合不需要重写本构方程，仅只利用当前比较成熟的单物理场求解器求解各自相域，并实现不同的物理场之间的信息交换。 范例（一个经典的间接耦合求解范例步骤）：利用CFX 进行全三维非定常粘性数值模拟，利用ANSYS 进行结构瞬态动力分析，其耦合面数据交换以MFX-ANSYS/CFX为平台，在每个物理时间步上进行耦合迭代，各自收敛后再瞬态向前推进，结构变形引起的流场网格位移由CFX内部的动网格技术来处理，整个耦合过程充分考虑了流场的三维非定常性和结构响应的瞬态变化。https://www.doczj.com/doc/4415970156.html,/s/blog_6817db3a0100ju4s.html） 迭代求解,也就是在流场,结构上分别求解,在各个时间步之间耦合迭代,收敛后再向前推进.好
一般说来，ANSYS的流固耦合主要有4种方式： 1，sequential 这需要用户进行APDL编程进行流固耦合 sequentia指的是顺序耦合 以采用MpCCI为例,你可以利用ANSYS和一个第三方CFD产品执行流固耦合分析。在这个方法中，基于网格的平行代码耦合界面(MpCCI) 将ANSYS和CFD程序耦合起来。即使网格上存在差别，MpCCI也能够实现流固界面的数据转换。ANSYS CD中包含有MpCCI库和一个相关实例。关于该方法的详细信息，参见ANSYS Coupled-Field Analysis Guide中的Sequential Couplin 2，FSI solver 流固耦合的设置过程非常简单，推荐你使用这种方式 3，multi-field solver 这是FSI solver的扩展，你可以使用它实现流体，结构，热，电磁等的耦合 4，直接采用特殊的单元进行直接耦合，耦合计算直接发生在单元刚度矩阵 一个流固耦合的例子 length=2 width=3 height=2 /prep7 et,1,63 et,2,30 !选用FLUID30单元，用于流固耦合问题 r,1,0.01 mp,ex,1,2e11 mp,nuxy,1,0.3 mp,dens,1,7800 mp,dens,2,1000 !定义Acoustics材料来描述流体材料-水 mp,sonc,2,1400 mp,mu,0, ! block,,length,,width,,height esize,0.5 mshkey,1 ! type,1 mat,1 real,1 asel,u,loc,y,width amesh,all alls ! type,2 mat,2 vmesh,all
工艺管道常见故障原因分析 (标准版) Security technology is an industry that uses security technology to provide security services to society. Systematic design, service and management. ( 安全管理 ) 单位：______________________ 姓名：______________________ 日期：______________________ 编号：AQ-SN-0816
工艺管道常见故障原因分析(标准版) 工艺管道出现故障的原因有很多，但一般说来，主要是由以下这几个方面造成的； 1．设计缺陷 (1)工艺、结构设计缺陷 设计时未全面考虑管道所处的环境、振动、温度补偿、支撑等因素的影响；管子、管件、阀门间连接形式不合理，使得管道的刚性不足或过大，导致管道承受较大的振动或应力，最终导致管道提前失效。 (2)选材不当 在设计选材时考虑不全面或选材错误，如温度条件、腐蚀条件等因素选材不当，都会导致管道因腐蚀等因素而提前失效。 2．检修安装施工缺陷
(1)管道安装 在管道安装过程中未严格按照施工规范进行施工，如存在强力组对导致管道内应力加大而加剧应力腐蚀，引起管道穿孔或破裂。 (2)焊接 在检修安装施工过程中，因焊接工艺选择不当、焊条焊剂未按规定烘干与保存、焊前与焊后热处理不当，同时，在焊接过程中，存在咬边、错边、未焊透、夹渣、气孔等焊接缺陷均会导致管道的施工质量下降，使管道在寿命周期内失效。 (3)材料 在施工过程中误用、混用、错用材料或代用材料不合要求、材料本身存在的质量缺陷也会引起管道的失效和破坏事故的发生。 (4)防腐、保温 在检修安装施工过程中，因防腐或保温不当，也会使管道因腐蚀加剧而提前失效。 3．振动 工艺管道的振源多种多样，大致可分为来自系统内和系统外的
1 前言 核电站管道系统布置中，大量采用孔板作为节流装置或流量测量装置。孔板对流体的扰动会导致局部回流和旋涡的出现，引起管内的局部压力脉动，从而造成管道系统出现振动和噪声，严重情况下会导致结构开裂和流体泄漏，造成巨大经济损失。为从根本上避免孔板诱发振动对结构完整性的威胁，需要在设计阶段就充分考虑流致振动影响，但由于流致振动问题的复杂性和技术手段的限制，目前缺乏可以指导工程设计的通用研究成果。由于管道流体作用在管道结构上的流体激励是随机的，必须采用随机振动分析方法对管道响应进行计算。本文利用孔板诱发流体脉动压力的试验测量结果，采用ANSYS 软件的随机振动分析功能，对孔板扰流诱发的管道振动响应进行了计算，并分析了脉动压力的相关性对管道振动响应的影响。由于ANSYS 软件的随机振动分析功能有些理论和使用上的限制，文中还介绍了使用ANSYS 软件计算管道流致振动响应过程中的一些特殊处理方法。 2 孔板诱发脉动压力的功率谱密度 在用随机振动理论对孔板诱发的管道流致振动响应进行计算之前，需要获得作用在管道内壁的脉动压力功率谱密度函数（PSD）。本文在实验测量结果的基础上，根据均方值与自功率谱密度的关系式，通过推导及假设获得了脉动压力场所有位置的自功率谱密度；互功率谱密度根据ANSYS 程序中的空间相关模型获得。关于实验的具体描述见参考文献，关于激励模型的建立见参考资料。 2.1 脉动压力的自功率谱密度 实验测得的脉动压力均方值沿管道环向近似于均匀分布。不同的轴向测点测得的均方值如图1 所示，图中反映了孔板对流体产生了明显局部扰动，且孔板对下游的扰动比上游大，产生的脉动压力的峰值产生在测点5 位置（孔板后158.4mm）。忽略孔板影响范围之外的脉动压力，并根据均方值沿轴向的分布形式，假设均方根值由测点2 位置线性增加到测点5，再由测点5 线性减小到测点7。 注：孔板位置的横向坐标为0，测点沿流动方向排号，孔板前两个测点，孔板后6 个测点 图1 各轴向测点处的压力脉动均方值
[收稿日期]20060325 [作者简介]武汉科技大学 机械传动与制造工程 湖北省重点实验室开放基金项目(2005A13);湖北省教育厅科研资助项目(B200611007)。 [作者简介]熊禾根(1966),男,1987年大学毕业,博士,副教授,现主要从事机械设计与理论、现代设计方法、智能设计制造 执行系统等方面的研究。 输流管道系统非线性流固耦合振动研究 熊禾根,李公法,孔建益杨金堂,蒋国璋,侯 宇,刘怀广 (武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081) [摘要]管道在众多的工业领域中具有十分广泛的应用,发挥着极其重要的作用。围绕输流管道系统的非 线性动力学建模、非线性动力学分析方法和稳定性问题,简述了输流管道系统非线性流固耦合振动的最 新研究情况,并对今后值得进一步研究的某些问题作了分析和预测。 [关键词]输流管道;非线性;流固耦合;稳定性 [中图分类号]U 173;Q327 [文献标识码]A [文章编号]16731409(2006)02057403 输流管道耦合振动具有自激振动的特性,属于非线性动力学研究的重要内容。文献[1,2]的研究表明,输流管道的振动问题的物理模型简明,易于理解、设计和制造。其简单形式的控制方程蕴涵着丰富而复杂的动力学内容,同时也表明对这样问题的非线性动力学研究的必要性。随着数值计算技术、非线性理论与方法研究的不断深入和发展,在输流管道非线性振动方面发现了一些重要现象,主要包括:管道横向挠度引起的轴向拉力对其动力学特性的影响、定常流和振荡流作用下悬臂管的分岔与混沌行为、支承输流管的非线性振动稳定性以及振荡流导致的参数共振。 但是,由于管道流固耦合这一非线性问题的复杂性,还存在一些重要问题需要解决,如寻求更完善的输流管道的动力学建模理论与方法以及探索采用现代非线性动力学分析数值方法研究与揭示其非线性振动机理。笔者将围绕输流管道系统的非线性动力学建模、非线性动力学分析方法、稳定性等3个方面简述输流管道系统非线性流固耦合振动的最新进展情况,同时讨论尚需进一步研究的问题。 1 输流管道非线性动力学建模 由于考虑因素的侧重面不同,建立的管道流固耦合非线性动力学方程也有一定的差别。在实际应用中,管道内径远远小于管道长度,输流直管假设为梁模型是合理有效的。建立动力学方程都假定:流体为无黏不可压;管作为梁模型来处理;管在平面内振动;不计剪切变形和截面转动惯量的影响。 文献[3]采用H am ilton 变分原理导出了两端固支管的非线性动力学模型: (m +M) u +M V +zM V u +MV u +MV 2u +M V u -EA u -EI (v v +v v ) +(T 0-P -EA )v v -(m +M )g =0(1) (m +M) v +M V v +2M V v +MV 2v -(T 0-P)v +EI v -EI (3u v +4u v +2u v +v u +2v 2v +8v v v +2v 3)(T 0-P -EA )(u v +u v +32 v 2v )=0(2)式中,V (t)为流速;E 为管道材料的弹性模量;A 和I 分别为管截面的面积和惯性矩;m 和M 分别为管道和流体的单位长度质量;上标 表示对时间的导数;上标 表示对坐标的导数;g 为重力加速度;u 和v 分别为管轴线的横向位移和轴向位移;T 0为固支管的轴向拉力;P 为其内的流体压力。 文献[4]综合Paidoussis 和Wigg er t 的管道动力学方程,忽略了管道泊松耦合的影响,提出了描述管道非线性流固耦合运动的4-方程模型: W A p u z -(PA f ) -m f ( V f +V f V f )-mg z -m p u z =0(3) 574 长江大学学报(自科版) 2006年6月第3卷第2期理工卷 Journal of Yangtze University (Nat Sci Edit) Jun 2006,Vo l 3N o 2Sci &Eng V