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第5卷第2期船舶力学V ol.5N o.2 2001年4月Journal of Ship M echanics A pr.2001文章编号:1007-7294(2001)02-0082-09管道流固耦合振动及声传播的研究现状及展望刘忠族,孙玉东,吴有生(中国船舶科学研究中心,无锡214082)摘要:本文对管道振动及声传播领域的研究现状和水平分类作了比较全面的综述,并对今后开展潜艇管道振动、声传播及噪声控制的研究进行了展望。
关键词:管道系统;流固耦合作用;管道振动;声传播中图分类号:O353.1,O422文献标识码:A1引言管道振动、噪声及其控制技术的研究有着广泛的应用背景。
对于工程上的管道系统,其动力学及声学分析非常复杂,不同的流体与结构物理模型的组合可派生出不同的动力学问题。
管道系统涉及的问题很多,如水锤,流固耦合振动及稳定性,管道声传播等。
水锤直接影响到管道的安全性,同时也会激发管道系统振动。
当管内流体速度增加到某一临界值时,系统将发生失稳,这种失稳是有害的,它可以使管道系统的薄弱环节产生破坏;另外,颤振失稳也会辐射噪声。
管道振动及噪声研究领域有许多理论问题没有解决,例如:复杂空间管系振动传递特性分析,管道系统对激励的响应及衰减特性,液压系统的动态特性分析以及管道声传播及辐射特性等。
管道振动噪声研究具有重要的学术价值和工程意义。
2管道振动及声传播的研究现状2.1管道振动及噪声源的描述管道噪声的含义是:管壁结构的振动和管内流体中声波相互作用,并沿管壁和管内流体传播与辐射的过程。
作用于管道的激励有两种:力激励与声激励。
力激励主要是指泵作用于管壁与流体的动态力,声激励是指泵的水动力噪声与阀门等处的湍流噪声。
湍流噪声是由控制阀和流量调节器产生的,在控制阀和流量调节器处,通流面积突然缩小或扩大,由此产生湍流,在下游伴随着压力脉动。
这种脉动压力在流体中向下游传递,从而形成平面波而成为湍流噪声[1]。
对湍流噪声的机理已有许多研究。
管道系统的流固耦合振动分析与振动控制管道系统中的流固耦合振动是一种常见的动力学现象，对于系统的安全性和可靠性具有重要影响。
因此，对管道系统的流固耦合振动进行分析和控制是非常必要的。
本文将介绍管道系统的流固耦合振动的基本原理、分析方法和振动控制技术，并分析其在实际应用中的一些问题和挑战。
一、流固耦合振动的基本原理管道系统的流固耦合振动是指在流体通过管道时，由于流体与管道壁之间的相互作用，产生的流固耦合振动。
其基本原理可以通过流体力学和结构力学的分析来解释。
在流体力学方面，流体在管道中流动时会产生压力波动，这些波动会传播到整个管道系统中，引起管道壁的振动。
而在结构力学方面，管道壁的振动会引起流体内部的压力波动，形成一个闭环的流固耦合振动系统。
二、流固耦合振动的分析方法为了对管道系统的流固耦合振动进行准确的分析，可以采用两种主要的方法：数值模拟和实验测试。
1. 数值模拟方法数值模拟方法是通过数学建模和计算机仿真来模拟管道系统的流固耦合振动。
其中，计算流体力学（CFD）方法可以用来模拟流体流动，有限元法（FEM）可用于模拟管道振动。
通过将这两种方法耦合起来，可以得到较为准确的流固耦合振动特性。
2. 实验测试方法实验测试方法是通过搭建实验平台来进行流固耦合振动的测试。
通过在实验平台上设置不同的工况和参数，可以获取管道系统的振动响应。
常用的测试方法包括压力传感器、加速度传感器等。
通过实验测试，可以获取系统的振动特性，并验证数值模拟结果的准确性。
三、振动控制技术为了降低管道系统的流固耦合振动，需要采取一些有效的控制手段。
目前常用的振动控制技术有两种：被动控制和主动控制。
1. 被动控制技术被动控制技术主要包括减振器和阻尼材料的应用。
减振器可以通过改变系统的固有频率或阻尼特性来吸收振动能量，从而减小振动幅值。
阻尼材料可以通过吸收或传导振动能量来减小系统的振动响应。
2. 主动控制技术主动控制技术则是通过在系统中添加控制器和执行器来主动调节系统的振动响应。
工程流体力学中的耦合问题分析工程流体力学是研究流体在实际工程中的运动和相互作用的学科。
耦合问题是指流体力学中不同物理过程之间相互影响、相互耦合的现象与问题。
本文将重点分析工程流体力学中常见的耦合问题，并探讨其影响和解决方法。
首先，我们来看一下工程流体力学中的两个常见的耦合问题：热力耦合问题和固力耦合问题。
热力耦合问题是指流体力学中流体的温度和流动状态相互影响的问题。
在工程实践中，往往会遇到流体在高温环境下的流动问题，例如燃烧室内的燃烧过程、高温管道中的流体传输等。
这些问题中，燃烧产生的热量会对流体的物性参数、流动速度和流动模式等产生显著影响，从而需要考虑热力耦合效应。
解决热力耦合问题的方法包括使用耦合模型、数值模拟和实验研究等手段。
通过建立合适的耦合模型和采用适当的数值方法，可以准确地模拟和预测热力耦合问题，为工程实践提供有力的支持。
固力耦合问题是指流体与结构物之间相互作用的问题。
在一些工程中，流体的运动会对周围的结构物产生力学影响，例如风对建筑物的风载荷、水流对桥梁的冲蚀作用等。
反过来，结构物的变形和振动也会对流体产生影响，例如桥梁的振动会引起空气流动的变化。
因此，为了准确评估工程设计的安全性和稳定性，需要对流体和结构物的相互作用进行耦合分析。
在解决固力耦合问题时，常用的方法包括数值模拟、试验观测和理论分析等。
通过结合不同的方法，可以获得对流体和结构物相互作用行为的深入理解，为工程设计提供可靠的依据。
除了热力耦合问题和固力耦合问题外，工程流体力学中还存在一些其他的耦合问题，如流固耦合问题、化学反应耦合问题等。
流固耦合问题涉及到流体和固体之间的相互作用，例如液体对固体的浸润、流体对堆土结构的渗流等。
化学反应耦合问题则是指流体中的化学反应与流动过程相互影响的问题，例如流体中的物质转化和浓度分布等。
这些耦合问题在工程实践中具有重要的应用价值，需要综合运用物理学、力学、化学等知识，采用合适的分析方法进行研究和解决。
流固耦合关系的主要研究内容一、流固耦合关系的定义流固耦合关系是指流体与固体之间相互作用、相互影响的物理现象。
在这种关系中，流体的运动会对固体产生力和压力，而固体的形状和结构则会对流体的运动产生阻力和影响。
具体而言，流体的运动会改变固体的形变和应力分布，而固体的形变又会影响流体的流动特性。
二、流固耦合关系的研究方法研究流固耦合关系的方法主要分为实验方法和数值模拟方法。
实验方法可以通过物理模型或实际系统进行观测和测量，以获得流体和固体之间的相互作用参数。
数值模拟方法则通过建立数学模型，利用计算机进行数值计算和仿真，来模拟流体和固体之间的相互作用过程。
常用的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法、边界元法等。
三、流固耦合关系在不同领域的应用1. 工程领域：流固耦合关系在工程领域中有广泛的应用。
例如，在航空航天领域，研究飞机在飞行过程中空气流动对机翼和机身的影响，以提高飞机的稳定性和飞行性能。
在建筑工程中，研究风场对建筑物的风压和风振效应，以确保建筑物的结构安全可靠。
2. 生物医学领域：流固耦合关系在生物医学领域中也有重要的应用。
例如，在血液循环系统中，研究血液流动对血管壁的剪切力和应力分布的影响，有助于了解心血管疾病的发生机制和预防措施的制定。
此外，研究呼吸系统中气流对肺泡的影响，有助于改善人工呼吸机的设计和使用。
3. 环境科学领域：流固耦合关系在环境科学领域中也有一定的应用。
例如，在水文学研究中，研究水流对土壤侵蚀和水质污染的影响，有助于制定水资源管理和环境保护政策。
此外，在气象学研究中，研究气流对大气污染物的扩散和传播的影响，有助于改善空气质量预测和污染治理措施。
四、总结流固耦合关系是流体与固体之间相互作用、相互影响的物理现象。
研究流固耦合关系的方法包括实验方法和数值模拟方法。
流固耦合关系在工程、生物医学和环境科学等领域中都有广泛的应用。
研究流固耦合关系可以帮助我们更好地理解和应用流体力学和固体力学的知识，从而推动相关领域的发展和进步。
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。
调节阀振动的特性及热力学分析调节阀是工业中常用的控制设备，其主要功能是调节、控制和保护流体介质的流量、压力和温度。
然而，在实际使用过程中，我们常常会遇到调节阀振动问题，这会严重影响设备的正常运行，并可能引发故障。
因此，了解调节阀振动的特性以及进行热力学分析，对于解决振动问题、提高设备的稳定性和可靠性具有重要意义。
调节阀振动的特性是指调节阀在运行过程中产生的振动现象的表现形式。
通常情况下，调节阀的振动主要包括以下几种类型：流固耦合振动、流固耦合自激振动、流体弹性振动和机械振动。
流固耦合振动是指流体介质与调节阀的振动相互作用所产生的现象；流固耦合自激振动是指流体介质与调节阀振动形成闭环反馈，产生自激振动的现象；流体弹性振动是指流体介质在通过调节阀时所产生的流固耦合振动现象；机械振动则是由调节阀本身的结构和运行方式所引起的振动。
为了解决调节阀振动问题，我们需要进行热力学分析。
热力学分析是通过热力学原理和方法来分析调节阀振动的原因和机理，从而找出解决问题的途径。
热力学分析主要包括以下几个方面：首先，需要对调节阀的内部流体力学特性进行分析。
流体力学特性包括流体介质的流速、流量、压力和温度等参数，以及流体介质在管道中的流动形式。
通过分析流体力学特性，可以找出调节阀振动的原因，并确定采取何种措施来解决振动问题。
其次，需要对调节阀的结构特性进行分析。
调节阀的结构特性包括阀体、阀门、阀座和密封装置等部件的材料、形状和尺寸等参数。
结构特性对于调节阀的振动稳定性和可靠性具有重要影响。
通过热力学分析，可以找出调节阀结构存在的问题，并进行相应的改进。
同时，还需要对调节阀的工作过程进行分析。
调节阀的工作过程主要包括启闭过程和调节过程两个阶段。
在热力学分析中，我们需要重点分析调节过程中流体介质的动态特性，以及调节阀所产生的振动现象。
通过分析调节过程中的振动特性，可以找出阀门的振动原因，并采取相应的措施来改善振动效果。
最后，可以通过数值模拟和实验验证等手段，对热力学分析结果进行验证和修正。
第14卷 第3期应用力学学报V o l.14 N o.3 1997年9月CH INESE JOURNAL OF APPL IED M ECHAN I CS Sep.1997管道及管路系统流固耦合振动问题的研究动态α李 琳 喻立凡(北京航空航天大学 北京 100083)摘 要对管道及管路系统流固耦合振动问题在近二十年来的进展作了综述。
根据问题特点,将本课题分为三个分支,即从紊流到振动噪声源的研究,流2弹耦合振动的研究和声2弹耦合振动的研究。
在分别总结这三个分支的研究成果的同时指出了尚需进一步研究的某些问题。
关键词:流固耦合;管路系统;振动噪声1 引 言管路系统流固耦合振动问题有着广阔的工程背景,它的研究成果可直接应用于水利电力、机械、化工、航空航天以及核工程等各个领域。
同时在学术领域,它也是一个十分诱人的课题, Jou rnal of F lu ids and Structu res的创始人M.P.Paidou ssis称之为A M odel D ynam ical P rob2 lem[1]。
因为,它物理模型简单,描述它的数学方程容易简化,特别是管路系统容易实现,这给理论研究与实验研究协同并进提供了极大的方便。
此外,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力学中的大多数问题,而且由于它结构的简单性还使得学者们可以分别(或侧重)研究流体的某一特性(如可压性、粘性、流速)对系统的影响。
七十年代以来,管道及管路系统流固耦合的振动问题有了长足进展。
随着问题的深入,关于这方面的研究形成了三个分枝:——研究内流诱发管系振动及噪声幅射机理;——研究具有定常流速的不可压缩流体与管道弯曲振动的耦合以及在此流速下的管道稳定性分析;管道与不可压缩流体的耦合振动可称为液2弹耦合振动。
——研究可压流体中的声波与管道振动的耦合,这种耦合振动可称为声2弹耦合振动。
α来稿日期:1995211230本文将按此三个分支简述课题的进展状况。
单座调节阀空化与流固耦合振动特性研究单座调节阀是工业控制过程中常用的一种执行机构，其在流体控制中起着重要的作用。
然而，在使用单座调节阀时，常常会出现空化现象，造成流固耦合振动，影响系统的稳定性和可靠性。
因此，进行单座调节阀空化与流固耦合振动特性的研究非常必要。
单座调节阀空化是指介质通过调节阀过程中，由于流速或压力突然降低，在阀内会产生蒸汽或气泡。
当这些气泡或蒸汽随流体通过阀门时，在高速撞击阀芯和阀座后迅速压缩，产生高频振动声响。
这种高频振动声响不仅会损坏阀芯和阀座，还会影响系统的工作性能。
在空化过程中，主要有三个阶段需要考虑：气泡形成、气泡成长和气泡爆裂。
气泡形成是由于流体的局部压力降低，使介质中溶解或吸附的气体析出，在低压区形成气泡。
气泡成长是指气泡在高速流动中不断吸收周围的气体，增大体积。
当气泡增大到一定程度时，受到流动的冲击和撞击，气泡会突然爆裂，产生噪声和振动。
要研究单座调节阀的空化与流固耦合振动特性，可以从以下几个方面进行分析：首先，需要对单座调节阀的结构和工作原理进行分析。
单座调节阀主要由阀体、阀芯、阀座和执行器组成。
在工作过程中，通过执行器控制阀芯的位置来调节阀的开度，控制介质的流量。
了解单座调节阀的结构和工作原理，可以帮助我们理解空化和振动的产生机理。
其次，通过数值模拟和实验方法，研究空化过程中介质的流动规律和气泡的形成、成长、爆裂过程。
数值模拟可以利用流体动力学软件，对空化过程进行仿真，分析气泡形成和消除的时间、位置和大小等参数。
实验方法可以构建实际的调节阀系统，观察气泡形成和爆裂的现象，测量振动的频率和振幅。
最后，根据研究结果，提出改善单座调节阀的设计和控制策略。
可以通过改进阀芯和阀座的材质和结构，提高其抗振动和耐磨性能。
可以采用智能控制算法，根据系统的工况和介质特性，预测空化的发生并采取相应的控制策略，减少空化和振动的影响。
综上所述，单座调节阀空化与流固耦合振动特性的研究对于提高系统的稳定性和可靠性具有重要意义。
流固耦合的研究与发展综述流固耦合是指流体与固体之间相互作用的现象。
在许多工程领域，流固耦合现象都是非常重要的，例如在航空航天、汽车工程、能源系统和生物医学领域等。
本文将对流固耦合的研究与发展进行综述，包括其基本原理、数值摹拟方法和应用领域等方面的内容。
一、流固耦合的基本原理流固耦合的基本原理是通过数学模型描述流体与固体之间的相互作用。
流体力学和固体力学是研究流体和固体运动的基本学科，它们提供了描述流固耦合现象的基本理论基础。
在流体力学中，流体的运动可以通过Navier-Stokes方程组来描述，而在固体力学中，固体的运动可以通过弹性力学或者塑性力学方程来描述。
通过将这两个方程组耦合起来，可以得到描述流固耦合现象的数学模型。
二、流固耦合的数值摹拟方法为了研究流固耦合现象，数值摹拟方法是一种常用的手段。
常见的数值摹拟方法包括有限元法、有限体积法和边界元法等。
在流固耦合问题中，有限元法是最常用的数值摹拟方法之一。
有限元法将流体和固体分别离散化为有限个单元，并通过求解代数方程组来得到流体和固体的运动状态。
此外，还可以使用流体-结构相互作用软件来摹拟流固耦合问题，例如ANSYS、FLUENT等。
三、流固耦合的应用领域流固耦合现象在许多工程领域都具有重要的应用价值。
在航空航天工程中，流固耦合现象的研究可以匡助改善飞机的气动性能，提高飞行稳定性和安全性。
在汽车工程中，流固耦合现象的研究可以用于改善汽车的空气动力学性能，降低燃油消耗和减少排放。
在能源系统中，流固耦合现象的研究可以用于优化风力发机电的设计，提高能量转换效率。
在生物医学领域，流固耦合现象的研究可以用于摹拟血液在心脏和血管中的流动，匡助诊断和治疗心血管疾病。
综上所述，流固耦合的研究与发展是一个非常重要的课题。
通过对流固耦合现象的研究，可以深入理解流体与固体之间的相互作用机制，为工程实践提供理论指导和技术支持。
未来，随着数值摹拟方法的不断发展和计算能力的提高，流固耦合的研究将在更多领域得到应用和拓展。
调节阀动态特性的重要性调节阀的出厂检测，主要是静态特性的检测，包括基本误差、额定行程偏差、回差、起点和终点偏差、死区、重复性误差、密封性、泄漏性等，这都是在空载的情况下做出的测试，实际上它们是在工作台上对阀进行测量所获得的结果，但这样的结果很难说明阀门在实际运行条件下将会表现出什么样的性能。
传统理论认为，仔细调节静态因素将会使阀（从而也使整个回路）获得良好的性能。
然而，现在我们认识到情况并非总是如此。
研究人员和生产商进行的成千上万次性能检查证明，多达50%的调节阀(其中有许多是通过考虑传统因素而选择的)对于优化控制回路性能未能产生多大效果。
后继研究表明，阀的动态特性对于降低流程易变性起了很重要的作用。
在许多关键的流程中，不同的阀门降低流程易变性的幅度即使相差1%也能够大幅度提高生产效率并减少废物，从而可取得很大的经济效益。
很显然，这样的经济效益使我们完全可以否定传统的做法，即只根据阀的最初购买价格来决定是否购买。
其次，传统的看法总是认为，流程优化的改进总是来自于控制室控制仪表的升级。
但是，测试数据表明，在使用相同控制仪表的条件下，阀的动态特性能够对回路性能产生显著的影响。
如果控制阀的精度只能达到5%，那么，花费大量的钱去配置一套其控制精度可达到0.5%的高级控制仪表系统并不能起到多大作用。
在寻找一种与使用场合相匹配的阀门时，首先应考察一下4种基本型式的节流控制阀，即笼式球阀、旋转浮球阀、偏心阀与蝶形阀。
笼式球阀的调整片形式的种类非常广泛，因此能够满足大多数应用场合的需求，从而使它成为各种阀中的首选。
笼式球阀调整片有很多种，包括平衡调整片、非平衡调整片、弹性座调整片、受约束调整片及全尺寸调整片等。
在许多情况下，一种阀体的各种调整片配置是可以互换的。
笼式球阀也有若干缺点。
一是该阀的尺寸受到限制（通常为16英寸）;二是与同等规格的视线阀（如浮球阀或蝶形阀）相比，其容量比较低;三是售价较高，特别是大口径的笼式球阀。
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。
图1 单座式调节阀结构示意图单座式调节阀主要由执行机构和调节机构组成。
执行机构将控制器输出电流信号转换为调节阀阀杆的直线位移；调节机构通过阀杆与执行机构相连，并将位移信号转换为阀芯和阀座之间流通面积的变化，从而改变流经阀体的流体运动状态。
为了使阀芯和阀座之间的开度稳定在某个特定位置以保证实现控制器所要求的目标状态，调节阀设有阀门定位器附件，组成以阀杆实际位移为测量信号，以控制器电流输出为设定信号的反馈控制系统。
1.2 阀芯-阀杆系统动力学模型对于特定调节阀结构，其调节性能主要取决于阀芯-阀杆相对阀座的运动。
阀芯-阀杆与气室弹簧、填料、流体等组成一个流固耦合动力学系统。
在建立阀芯-阀杆动力学模型之前作如下假设：①调节阀内部的流体（水）是不可压缩的；②在调节阀工作过程中，水没有热交换；③阀杆与填料之间的摩擦力认为是一种粘性阻尼力；④整个阀体为刚性体，忽略其弹性变形；⑤阀芯-阀杆只沿轴线运动，不考虑横向运动；⑥单座阀的执行机构为气动正作用执行机构。
根据以上假设以及单座阀的结构图，可以将阀芯-阀杆系统简化为一个单自由度质量-弹簧-阻尼系统，如图2所示。
阀芯位移坐标原点设在阀门全关的位置，取向上为正方向。
图2 阀芯-阀杆系统动力学模型根据图2所示，单座阀阀芯-阀杆系统动力学方程为（1）式中X（t）、y6789157150为阀芯t时刻的位移、速度及加速度；m为阀芯-阀杆系统的总质量；k为弹簧刚度系数；c为等效粘性阻尼系数；Fc（t）为执行机构作用在阀芯上的控制力；Fl（t）为流体不平衡力；g为重力加速度。
式（1）中的流体不平衡力Fl（t）是指直行程调节机构中流体作用在阀芯上的轴向合力，其大小与调节阀两端的压差、阀芯大小和形状、调节阀类型、阀上游压力、流体流向及流体物理特性等因素有关。
对于流开式调节阀（图1中流体从左侧流入，右侧流出），不平衡力（2）式中p1：阀前压力（Pa）；p2：阀后压力（Pa）；Δp：前后压差（Pa）；ds：阀芯直径（m）；dz：阀杆直径（m）。
对于流闭式调节阀（图1中流体从右侧流入，左侧流出），不平衡力（3）当调节阀与管道连接时，阀芯受到的实际不平衡力Fl（t）由阀芯上下表面分布的压力（通过下面有限元流固耦合计算）对阀芯表面面积积分求得。
为了使求解过程简化，可以将不平衡力近似认为流体压力在阀芯等效横截面积上作用的结果。
式（1）中控制力Fc（t）是指执行机构作用在调节机构阀芯-阀杆系统上的轴向力，其大小与电-气阀门定位器结构参数、控制器输出电流信号产生的电磁力，以及阀芯位移有关，即：（4）式中p，q，T为与定位器结构性能有关的参数，N（X0）为与指定目标位移X0成比例的电磁力。
因此，调节阀阀芯-阀杆系统动力学方程可写为：（5）2.调节阀-管道-流体系统流固耦合有限元模型求解本文利用ANSYS软件对调节阀-管道-流体系统进行有限元流固耦合建模分析。
管道和调节阀阀芯-阀杆系统会在动态流体压力作用下发生振动位移，位移的大小反过来将影响管道和调节阀内的流场分布，从而形成流固耦合作用。
流固耦合模型需要采用循环迭代方法求解。
2.1 调节阀阀芯-阀杆系统流固耦合模型预估-校正求解算法由于调节阀阀芯与流场接触面为移动壁面，而阀芯移动规律无法预先给出，因而ANSYS软件本身的流固耦合方法无法满足未给定阀芯运动规律时的计算要求，因此，本文采用预估-校正算法来解决这种情况下的流固耦合问题。
根据阀芯-阀杆系统动力学方程（1）和预估-校正算法，可得出单座阀的预测步和校正步计算表达式分别为：预测步：第r步校正步2.2 调节阀-管道-流体系统流固耦合问题的有限元模型求解方法对于调节阀-管道-流体系统流固耦合问题，本文采用如下有限元建模和求解方法：（1）创建调节阀-管道-流体系统几何模型，包括流体区域和调节阀-管道结构区域。
（2）创建调节阀-管道内流体物理环境。
给流体区域赋予单元类型，确定迭代次数，激活湍流模型，施加边界条件。
（3）创建结构物理环境。
清除在流体物理环境中设定的信息，定义结构物理环境，转换单元类型并设定单元选项，将流体区域单元设定为NULL，将结构区域赋予单元类型，施加结构边界条件，定义合适的载荷步和求解选项，然后写入结构物理环境文件。
（4）流体/结构求解循环。
结构分析和流体分析是通过耦合面连接的，首先读入流体物理环境进行Flo-tran求解，将分析结果保存；清除流体物理环境，读入结构物理环境；选择施加载荷的单元和节点，将Flotran分析结果读入载荷中进行结构分析，将分析结果保存；将结果文件设为流体分析的边界条件，重复上面步骤，直到检测两次计算的差值足够小，求解结束。
2.3 调节阀-管道-流体系统有限元模型假设管道两端约束分别为：左端固定，右端简支，管道内径d=0.04m，管壁厚h=0.005m，管道总长度l=2m，阀体两端管道长度相等，材料密度ρ1=7800kg/m3，弹性模量E=2.1×1011N/m2，管道内介质为水，介质密度ρ2=1000kg/m3，粘度系数μ=1005Pas。
本文创建的模型包括流体区域和结构区域，将流体区域赋予单元类型Fluid142，结构区域赋予单元类型Sol-id45。
由于阀芯相对于管道和调节阀内壁的变形非常小，可以不考虑其与流体的流固耦合作用，仅将管道和调节阀内壁与流体的接触面作为耦合面。
调节阀-管道系统有限元模型如图3所示。
图3 调节阀-管道系统有限元模型3.调节阀-管道-流体系统流固耦合动态分析3.1 调节阀-管道系统模态分析为了掌握调节阀-管道系统结构固有特性，对图3所示模型在无流体状态下进行模态分析。
计算出系统的前4阶固有频率分别为24.43Hz，114.24Hz，219.93Hz，335.56Hz，对应的各阶振型如图4所示。
图4 调节阀-管道系统前4阶振型3.2 调节阀-管道-流体系统动态响应分析本文根据第3节求解方法，重点分析固定开度和变开度情况下阀芯动态位移响应及其所受流体不平衡力。
对于固定开度情况，阀芯在某个指定目标开度或位置附近作自由振动；对于变开度情况，阀芯从某个初始位置向目标开度或位置移动，到达目标位置后在其附近作自由振动。
对于调节阀-管道-流体流固耦合系统，无论固定开度还是变开度情况，除阀芯-阀杆系统和流体振动外，调节阀阀体及其联接管道也会因流固耦合作用产生结构振动。
本文取阀芯-阀杆弹簧悬挂点对应的阀体节点（对应图3中编号为12535的节点）位移响应作为调节阀-管道-流体流固耦合系统整体位移响应。
本文分别对固定开度和变开度情况、流体流向为流开和流闭情况以及有无管道情况进行仿真。
假设进出口压差为2MPa（进口压力为2.1MPa，出口压力为0.1MPa）。
固定开度时阀芯目标位置为X0=20mm，变开度时阀芯由X0=20mm下移至X0=15mm。
阀芯-阀杆系统和调节阀-管道-流体系统的位移响应以及流体不平衡力仿真结果如图5-图7所示。
图5 固定开度时阀芯的位移与流体不平衡力图6 变开度时阀芯的位移与流体不平衡力图7 流向流开时调节阀-管道-流体系统（阀体节点编号为12535处）的位移振动响应由图5可以看出：在固定开度情况下，无论流闭型还是流开型，带有管道相对于无管道时的阀芯振动更大，并且偏离目标位置更远，而阀芯受到的稳态流体不平衡力更大；无论是否带有管道，采用流闭型要比流开型时阀芯偏离目标位置更远，并且到达稳态所用的时间更长，而阀芯受到的稳态流体不平衡力则相差不大。
由图6可以看出：在变开度（开度变小）情况下，对于流开型，带有管道比无管道时阀芯趋向稳态目标位置所用的时间更短，而对于流闭型则相反；无论流闭型还是流开型，带有管道比无管道时阀芯受到的流体不平衡力趋向稳态所用时间更短，而稳态值略大；无论是否带有管道，采用流开型要比流闭型时阀芯受到的稳态流体不平衡力更大。
由图7可以看出：无论固定开度还是变开度，调节阀阀体振动位移与图5、图6中阀芯的振动位移规律不同，在仿真时间范围内均呈非周期、非衰减振动，但是变开度比固定开度时阀体振动响应略大。
4.结论本文建立了一个调节阀-管道-流体系统流固耦合模型，并利用ANSYS软件对固定开度和变开度情况、流体流向为流开和流闭情况以及有无管道情况进行了动态响应分析。
研究结果表明，在给定压差下，无论流闭型还是流开型流向，无论固定开度还是变开度，管道对调节阀阀芯-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，从而对调节阀开度控制的精度以及调节阀执行机构设计产生影响。
