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基于流固耦合的水轮机振动的数值研究的开题报告
题目：基于流固耦合的水轮机振动的数值研究
研究背景：
水轮机是一种重要的水力发电设备，其性能直接影响水电站的发电效率和经济效益。
随着技术的不断进步，水轮机的运行稳定性和安全性也越来越受到重视。
水轮机振动是影响其运行稳定性和安全性的一个重要问题，因此对水轮机振动进行研究具有重要的实用价值。
流固耦合技术是一种流体力学和固体力学耦合的计算方法，可以有效地研究流体与固体之间的相互作用。
水轮机振动涉及到水流作用力对水轮机结构的影响，因此采用流固耦合技术进行研究是非常必要的。
研究目的：
本论文旨在采用流固耦合技术，对水轮机振动进行数值研究，探讨水力条件对水轮机振动的影响，为水轮机的稳定运行和安全运行提供理论依据和参考。
研究内容：
1. 对水轮机的结构进行建模和分析；
2. 建立水轮机和水流之间的联系，并构建流固耦合模型；
3. 建立水流条件下的水轮机振动数值模拟方法；
4. 分析不同水力条件对水轮机振动的影响；
5. 提出改善水轮机振动的方法和措施。
研究方法：
本论文采用有限元方法对水轮机结构进行建模，采用计算流体力学（CFD）方法对水流进行模拟，并通过流固耦合算法将水轮机结构和水流相联系，实现振动分析。
研究意义：
本论文研究基于流固耦合的水轮机振动数值分析方法，对水力条件
对水轮机振动的影响进行了研究，探讨了改善水轮机振动的方法和措施。
研究结果对提高水轮机的运行效率和安全性具有重要实用价值。
基于CLSVOF-IB方法海洋管道流固耦合特性研究
崔祚;吴超;周后村
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2022(44)23
【摘要】本文利用CLSVOF-IB方法研究海洋管道所受的流体作用力及其涡激振动特性,其中CLSVOF(Coupled Level-Set and VOF)方法用来模拟海洋自由波面,浸
入边界(immersed boundary,IB)方法用于模拟海洋管道与流体之间的相互作用力。
计算结果表明,CLSVOF-IB方法能够准确分析海洋立管的流固耦合特性,可通过选择合适的管道直径和来流速度来解决管道的流致振动问题。
此外通过改变流体傅汝德数(Fr数),结果还表明该数值方法能较好捕捉海洋管道与海洋自由波面的相互作用
过程。
【总页数】7页(P80-86)
【作者】崔祚;吴超;周后村
【作者单位】贵州理工学院航空航天工程学院;国防科技大学空天工程学院;中国空
气动力研究与发展中心
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
【相关文献】
1.弯曲输流管道流固耦合流动特性研究
2.不同曲率情况下的液压管道流固耦合特性仿真研究
3.变截面输液管道流固耦合振动特性研究
4.基于ANSYS的输流管道流固耦合特性分析
5.化工管道流固耦合振动特性分析及减振措施研究
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基于Workbench的流固耦合作用下三通管振动特性分析韩天宇,郭长青*,谌冉曦(南华大学土木工程学院,湖南衡阳 421001)摘要：使用ANSYS Workbench软件，对流固耦合作用下的三通管振动特性进行分析。
首先应用Solidworks和ANSYS Workbench 对结构进行几何建模，再利用CFX模块对流场进行计算，将得出的结果以荷载的形式导入Workbench进行流固耦合状态下的模态分析。
计算研究三通管在双进单出和单进双出情况下的入水口流速、入水口压强和管壁厚度对固有频率的影响。
结果表明，双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大，两种不同流体流动方式三通管的前六阶振型都主要是整体梁变形;管道的固有频率会随着入水口压强和流速的增加而增加;随着壁厚的增加，前三阶固有频率有所降低，第4～6阶固有频率则先升后降;在入水口压强、入水口流速和壁厚等条件相同的情况下，双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大。
关键词：流固耦合;三通管;振动;固有频率;workbench0 引言在输流管道中，由于流体的不连续加压和流体的无规则流动，产生强烈的压力波动，管道则会产生很大的振动，甚至发生破坏。
因此有必要研究输液管道系统的流固耦合振动的振动特性及其影响因素。
桑永等[1]使用ANSYS软件分析了大流量管路流固耦合振动；齐欢欢等[2]使用ANSYS和CFX软件对输液管道进行了有限元分析；熊雄等[3]针对液压输流管内的压力脉动进行研究，对压力脉动进行编程，得到了压力脉动作用产生的激振力的变化；姬贺炯等[4]进行了输流管道的动力有限元建模并进行了实验；赵宁[5]应用Workbench软件分析了流固耦合作用下的弯管的振动特性；张晓明[6]应用Workbench软件对室内供水管道进行有限元分析，并用实验进行了辅助验证；王涛[7]应用Workbench软件探究了孔板对于管道振动的稳定和抑制作用；卢嘉伟等[8]研究了竖直弯管在不同弯转角度条件下的振动特性；俞树荣等[9]分析了弯管的流固耦合动力特性，考虑了脉动压力、壁厚和管径对固有频率的影响；朱炎等[10]对气液两相流情况下的输水管道进行了实验，实验表明输水管道含气率越大，管道不同位置的振动强度差别越大；梁建术等[11]应用ANSYS Workbench软件对流固耦合输液波纹管进行了模态分析；D.C.Wiggert等[12]把管道的的结构部分以直管的低阶模态的方式代替，流体部分则利用经典水锤理论对流体域进行响应计算；D.C.Wiggert等[13]以四方程模型为基础，将四方程模型拓展为十四方程模型，通过实验进行了验证，与计算结果能够良好吻合Y.Z.Xu等[14]提出了一种多分支管道的通用解决方案，为预测复杂管道系统的频率响应提供了一种方法；W.Wang等[15]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。
基于流固耦合的立式轴流泵站振动特性数值模拟研究
侯程程;荐威;鲁健;于贤磊;张苗;李昌龙
【期刊名称】《江苏水利》
【年(卷),期】2024()4
【摘要】针对由水体引发的立式轴流泵站泵房振动问题,采用基于流固耦合的模态分析方法,对水体作用下的某立式轴流泵站泵房模态进行分析,进而分析泵房在水体作用下的应力和变形情况。
研究表明,基于流固耦合的模态分析可以较确切的反应内部水体作用下的泵房模态;发现在水体的耦合作用下,水体对于泵房结构的影响主要集中在流道外壁混凝土结构处,对出水流道驼峰上部楼板以及下降段混凝土结构的变形影响较大,对于泵房整体结构影响较小。
【总页数】5页(P11-15)
【作者】侯程程;荐威;鲁健;于贤磊;张苗;李昌龙
【作者单位】南水北调东线江苏水源有限责任公司
【正文语种】中文
【中图分类】TV675
【相关文献】
1.流固耦合下轴流压气机叶片振动特性数值研究
2.基于流固耦合的管道车振动运移水力特性数值模拟与试验
3.考虑双向流固耦合的换热器弹性管束流致振动特性三维数值模拟研究
4.基于单向流固耦合的轴流泵叶片应力特性数值模拟
5.基于流-固耦合的固定-自由立管三维数值模拟振动特性分析
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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。
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。
天然气水合物井筒多相流流动规律及流固耦合振动行为研究天然气水合物，顾名思义就是“水和气”组成的东西。
它就像是个特别的冰块，把天然气“困”在水晶般的冰壳里面，完全不像你平常在家里看到的冰块。
听起来是不是很神奇？天然气水合物是能源领域一个超级热门的话题，咱们大伙儿也没少听说过。
很多专家、工程师一谈到它，眼睛里都冒出光来，毕竟，它可是个能让咱们的能源需求更有保障的“大宝贝”。
不过，说到天然气水合物的开发，事情可没这么简单。
你以为在水下找到一个大“气泡”就能一把捞起，那可真是小看了这个“气泡”的能耐了。
想象一下，这东西得通过井筒往上抽出来，还得保证过程中不出岔子。
井筒里究竟会发生什么情况，咱们这就来细说一番。
井筒里的流动，听起来不复杂，实际上可是大有文章。
这里头涉及到的可不是单纯的气流、液体流，而是多相流，也就是说，不同的物质在一个狭小的空间里相互交织、互相影响。
这就像咱们平时做菜一样，锅里往往会放很多种材料，每种材料都要配合得当，才能做出美味。
天然气水合物井筒里也有类似的情形，天然气、液态水、冰和其他物质，都在同一个系统中相互作用，流动的规律复杂得让人头疼。
更糟的是，气泡、液体、固体这三者一旦在井筒里碰撞，可能就会发生奇怪的现象。
这种现象，简直就像你在水池里往水面上丢石子，水波荡漾，完全无法预测。
井筒里这些多相流的规律，得花不少功夫来研究和摸索，毕竟它们直接影响着天然气水合物的开采效率和安全性。
说到井筒，咱不能只顾着看流动规律，井筒的结构本身也是个大问题。
井筒不是什么普通的管道，它可是得承受住水合物开采过程中产生的巨大压力。
咱知道天然气水合物大多是在海底或者极寒地区开采，环境可想而知有多恶劣。
井筒在这样恶劣的条件下，一旦受到外界的压力，就可能发生形变，甚至被压断。
这时候就得考虑流固耦合的振动问题了。
咱们平时在走路时也会发出震动，想象一下，如果脚底下有一块巨石，你踩上去肯定会感觉到震动，井筒受到的振动也差不多，尤其是在开采天然气水合物时，震动会被放大，甚至可能引发井壁破裂。
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。
基于流固耦合的水下发球管汇力学及振动特性分析
鞠朋朋;柳英明;张欢;李林
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2024(24)4
【摘要】水下发球系统具有可利用生产流体发球、不停井发球的优势,在现阶段与未来海洋油气开发具有广阔的应用前景。
水下发球管汇结构复杂,存在多处弯管、变径三通,生产流体压力高,而发球工艺操作引起的管汇结构变形与振动情况尚不清晰。
采用数值模拟的方法,计算了某水下发球管汇在发球工况中,流固耦合条件下管汇结构的位移、应力分布及振动情况。
发现阀门的开关瞬间是压力变化幅度最大的特征时刻,也是引起管道位移、振动情况最严重的特征时刻;明确了管道结构风险位点为管汇结构末端,最大位移约为5.69 mm,主要由X方向贡献,最大等效应力为233.13 MPa,主要集中分布在T型管、弯管内侧处;提出了针对性的优化支撑方案,管汇结构最大位移降低至3.53 mm,低阶模态频率增幅约为1.74%~20.54%,说明管汇结构的安全性得到了提高。
研究成果可为水下发球管汇的设计、运行提供理论依据。
【总页数】9页(P1471-1479)
【作者】鞠朋朋;柳英明;张欢;李林
【作者单位】海洋石油工程股份有限公司设计院;中国石油大学(北京)机械与储运工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TE985
【相关文献】
1.大型宽频带水下振动台流固耦合动力学特性的研究
2.基于流固耦合的四通管力学及振动特性研究
3.基于流固耦合的高压鱼尾管汇力学特性研究
4.飞行器试验技术：大型宽频带水下振动台流固耦合动力学特性的研究
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基于流固耦合效应的梯级泵站输水管道振动特性分析张建伟;王涛;曹克磊;江琦;乔鹏帅;许新勇【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2017(48)3【摘要】为解决管道结构固有振动特性分析中选取高精度流固耦合模型的方法问题,以景电工程中梯级泵站输水管道为研究对象,运用附加质量法和直接耦合法原理,建立不同的流固耦合模型,对其进行固有模态特征提取,并将求解结果与SSI法模态辨识结果对比.结果表明:直接耦合法模型的结果与SSI法辨识结果吻合得较好,最大误差为3.62％,同阶次的计算精度均优于附加质量模型,频率间隔小,弥补了附加质量模型出现的模态缺失现象;直接耦合模型的计算结果在模拟阶数和精度方面都优于附加质量模型,能较好地反映管道结构的固有振动特性,可在复杂管系结构的动力特性分析中应用.%As the basic carrier of long-distance inter-basin water conveyance project of pressure piping,pressure piping is an important part of agricultural engineering and water conservancy projects,which plays an important role in solving the uneven space-time distribution of water resources.The vibration during the operation is the critical problem in the design and safety evaluation of water pipeline.In order to solve the problem of how to improve the precision of the FSI (fluid-solid interaction) model in the natural vibration characteristics analysis of the piping,two different FSI models of a piping in cascade pumping station of Jingdian Project were built,by using the additional mass method and direct coupling method respectively.Then the modal characteristics of two FSImodels which were obtained in the natural vibration characteristics analysis were compared with the modal characteristics of the prototype piping identified by stochastic subspace identification (SSI) method.The comparison results show that the simulation results of the model by using direct coupling method were in good agreement with the results identified by SSI method,and the maximum error was 3.62％.In the comparison of calculation accuracy of the same order,the model by using direct coupling method outperforms the model by using additional mass method,making up for the lack of the modes that the additional mass model can not work out.The results show that FSI affects the piping system modal frequency seriously and the model by using direct coupling method is superior to the additional mass model in terms of the order number and precision of the simulation,reflecting the real natural vibration characteristics of liquid conveying piping.This method can be used in the analysis of the dynamic characteristics of complicated pipe systems.【总页数】7页(P134-140)【作者】张建伟;王涛;曹克磊;江琦;乔鹏帅;许新勇【作者单位】华北水利水电大学水利学院,郑州450011;华北水利水电大学水利学院,郑州450011;华北水利水电大学水利学院,郑州450011;华北水利水电大学水利学院,郑州450011;华北水利水电大学水利学院,郑州450011;华北水利水电大学水利学院,郑州450011【正文语种】中文【中图分类】TV31【相关文献】1.基于PSO-SVM算法的梯级泵站管道振动响应预测 [J], 张建伟;江琦;刘轩然;马晓君2.基于流固耦合效应的红砂岩地层深基坑围护结构变形特性分析 [J], 杨宏;赵福登;朱彦鹏;马孝瑞3.基于流固耦合效应的红砂岩地层深基坑围护结构变形特性分析 [J], 杨宏; 赵福登; 朱彦鹏; 马孝瑞4.基于流固耦合的气液两相流管道振动特性分析 [J], 王晓丹;冯斐斐;汪继录5.考虑流固耦合的厚壁输水管水锤和振动特性分析 [J], 郭强;周建旭;黄亚;张健因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
水下管道的流固耦合响应分析与抗震设计水下管道的流固耦合响应分析与抗震设计是一个关键的工程问题，涉及到水下管道的安全运行和抵御地震等自然灾害的能力。
本文将探讨水下管道的流固耦合响应分析方法以及抗震设计的原则与方法。
一、流固耦合响应分析方法在分析水下管道的流固耦合响应之前，首先需要确定管道的基本特性，包括管道的尺寸、材料特性以及流体特性等。
基于这些特性，可以采用有限元分析等方法，结合流体力学和固体力学的理论，进行流固耦合分析。
1. 流体力学分析流体力学分析主要用来确定管道内部流体的状态和性质。
在流体力学分析中，可以考虑流体的速度场、压力场以及流体的流动特性，如流速、涡流等。
通过建立流体力学模型，可以计算得到流体内部的压力分布和流速分布等参数。
2. 固体力学分析固体力学分析主要用来确定管道的结构响应和变形情况。
在固体力学分析中，可以考虑材料的弹性特性、刚度和强度等。
通过建立固体力学模型，可以计算得到管道的应力分布、变形情况以及固有频率等参数。
3. 流固耦合分析在流固耦合分析中，将流体力学和固体力学的模型相结合，考虑流体对固体的作用以及固体对流体的作用。
在这种分析中，需要将流体和固体的方程进行耦合，并利用迭代方法求解。
通过流固耦合分析，可以得到管道在流体作用下的响应情况，如管道的振动频率、位移响应以及应力分布等参数。
二、抗震设计的原则与方法针对水下管道的抗震设计，以下原则与方法应被考虑。
1. 地震特性分析首先，需要对区域内的地震特性进行分析，包括地震烈度、地震波谱等指标。
通过分析地震特性，可以确定设计地震参数，如峰值加速度和地震波周期等。
2. 动力特性分析在抗震设计中，需要考虑水下管道的动力特性，如振动频率和振动模态等。
通过分析动力特性，可以确定管道的固有频率，并参考这些参数进行设计。
3. 结构抗震设计针对水下管道的结构抗震设计，需要选择合适的抗震设计方法。
具体的设计方法可以根据管道的特点和环境条件来确定，如增加管道的抗震支座、增加管道的刚度和强度等。
输流管道流固耦合振动研究于家付;马廷霞;钟魁;王海兰;朱亚明;赵潇【摘要】管道系统的流固耦合振动问题一直以来都被称为“典型的动力学问题”,由于载流管道模型比较简单,相对于其他结构体,输流管道系统更容易设计与制造,方便实验研究.阐述了管道振动系统,推导了振动方程,提出输流管道减振的措施.【期刊名称】《重庆科技学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(017)001【总页数】3页(P85-86,91)【关键词】管道系统;振动;减振【作者】于家付;马廷霞;钟魁;王海兰;朱亚明;赵潇【作者单位】西南石油大学机电工程学院,成都610500;西南石油大学机电工程学院,成都610500;中铁八局第二集团有限公司检测中心,成都610000;西南石油大学机电工程学院,成都610500;西南石油大学机电工程学院,成都610500;西南石油大学机电工程学院,成都610500【正文语种】中文【中图分类】O353.1管道是一种最常见的载流装置，输流管道目前已经广泛应用于船舶、航空航天、水利电力、石油能源工业、化学工业、海洋工程、核工业、生物工程、城市排水工程等等。
研究表明，输流管道内流体的速度超过某一临界值时，就会引起管道振动。
这种现象主要是由于流体作用力与输流管道弹性体的变形力相互耦合而产生的一种不稳定动态［1］。
这种不稳定状态可以导致管道薄弱处产生破坏，严重时会导致管道断裂，给工业造成巨大的经济损失和严重的事故。
管道系统对国民经济及人们的生活都起着十分重要的作用。
1 管道振动系统研究管道振动的研究由于其物理以及几何形状等条件的复杂性，引起了国内外学者浓厚的兴趣。
目前对流固耦合振动的研究领域分布比较广，主要领域有数学建模理论、振动特性、动力学特性分析、能连传递以及实验技术和响应预估等。
在管道振动研究的初期，往往容易忽略管壁与流体之间的耦合作用;而对于响应分析，又缺乏对流固双向耦合效应，先是流体的响应，然后作为激励，才得以计算出管道结构的响应［2］。
海底管道振动特性分析与优化设计摘要海底管道是一种非常重要的海洋石油运输工具，管道系统由内流场、管道、外流场及管道附件组成，管道结构容易受到原油脉动、海洋洋流、激荡振动等各种外界激励的影响而产生振动，严重时管道会破裂导致石油泄漏。
因此，分析海底输油管道的振动特性，并根据管道振动特性进行减振控制与优化设计，对于海上石油工业安全性、经济性有重要意义。
当前，国内外学者对管道流固耦合振动问题进行了广泛的研究，主要运用单向耦合和双向耦合的方法，这种求解方法较为复杂且不易收敛，附加质量法也仅考虑了管道的附加质量，而声固耦合法充分考虑流体的附加质量、附加阻尼和流固耦合项。
基于此，在总结和吸收前人的基础上，本文基于声固耦合算法重点研究内外两个流场对管道振动特性的影响，主要进行了以下三个方面的研究工作。
首先，对海底管道振动理论和数值计算方法进行分析介绍，着重分析推导了声固耦合算法，搭建测试平台对自由空管、充液管道和水下充液管道进行模态实验，通过ANSYS声学模块建立充液管道和水下充液管道的有限元模型。
基于声固耦合算法求解得到充液管道固有频率与实验测试结果相差值在1.78%之内，基于声固耦合算法计算出的水下充液管道固有频率与实验测试结果相差值在3.01%之内，验证了基于声固耦合算法对充液管道和水下充液管道（内外双流场）进行耦合振动特性分析是可行的。
其次，基于声固耦合算法对实际海底输油管道进行有限元建模，分别研究海水对管道的影响，原油对管道的影响，海水和原油共同对管道的影响，从对比结果中得出两个结论：一是海水和原油对管道的固有频率起衰减作用，且相比仅考虑海水和仅考虑原油，海水和原油两个流体介质共同作用下，管道固有频率衰减的更明显；二是海水和原油会降低管道的模态振型幅值，同样相比仅考虑海水和仅考虑原油，海水和原油两个流体介质共同作用下，管道固模态振型幅值降低的更明显。
最后，研究了管道支撑结构和管道支撑刚度对管道振动特性的影响，发现支撑结构会降低管道的固有频率，增加管道支撑刚度可以提高管道的稳定性。
申请上海交通大学硕士学位论文基于流固耦合的多相流作用下水下管道流致振动特性研究硕士姓名：马亚成导师：王晋教授唐文勇教授专业：船舶与海洋工程上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院2014年1月Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for theDegree of Master of EngineeringRESEARCH ON THE INTERNAL MULTIPHASE FLOW INDUCED VIBRATIONS IN SUBSEA PIPELINES BASED ON THE FLUID STRUCTURE INTERACTION METHODSCandidate: Ma YachengSupervisor: Prof. Wang Jin &Prof. Tang WenyongMajor: Naval Architecture and Ocean EngineeringShanghai Jiao Tong UniversitySchool of Naval Architecture, Ocean and Civil EngineeringJan. 2014基于流固耦合的多相流作用下水下管道流致振动特性研究摘要水下管道是海洋油气资源开发中重要的组成部分。
根据水下管道设计的要求，管道设计时一般为静强度设计，动强度设计主要集中于管道的涡激振动分析。
由于水下油气分离技术要求高且成本高，油气多相混输技术得到广泛应用。
为提高生产率，内流逐渐向高流速、高压发展，这使得水下管道更容易出现流致振动的现象。
由于多相流流动的不稳定性，使得多相流管道的振动问题变得十分复杂。
CFD和CSD结合的流固耦合方法充分利用CFD方法对复杂流体问题的准确仿真和CSD求解结构动态响应的优势，越来越多地应用到多相流管道振动问题的研究上来。
本文主要从三个方面对水下管道流致振动特性研究进行了说明。
首先介绍了流固耦合方法的基本原理，并结合目前常用的流固耦合工具ANSYS和MpCCI对CFD和CSD相结合的流固耦合方法进行了介绍，并讨论了各自的特点。
其次，对多相流的特征参数进行了说明，同时对水平管道和垂直管道内的多相流流型进行了介绍。
推导了气液两相流作用下两端简支直管的振动方程并求解得到了管道的管道固有频率计算表达式，并讨论了管道几何、材料参数和流动参数对固有频率的影响。
最后利用CFD和CSD结合的流固耦合方法分别对水下直管和倒置U型跨接管进行了仿真计算。
能够得到管道内的气液两相的分布，从而进行流型的判别。
同时可以得到管道的动态响应，并对管内段塞流频率和管道固有频率相近时的流固耦合问题进行了分析讨论。
关键词：多相流；水下管道；流致振动；流固耦合RESEARCH ON THE INTERNAL MULTIPHASEFLOW INDUCED VIBRATIONS IN SUBSEA PIPELINES BASED ON THE FLUID STRUCTUREINTERACTION METHODSABSTRACTSubsea pipelines are very important component in the offshore oil and gas development. According to the subsea pipelines design codes, the static design comes to the first place, while the dynamic design only takes the vortex induced vibration into consideration at most time. The subsea oil and gas separation technology is technically difficult and costly, thus multiphase mixing transportation technique is widely used. To improve the productivity, high pressure and high flow rate are more commonly, which leads the subsea pipelines to be prone to FIV. The methodology combining the Computational Fluid Dynamics of multiphase flow and transient Computational Structural Dynamics take full advantage of CFD and FEA software. This technique is valid in analyzing the FIV problems of subsea pipelines.The analysis of FIV of subsea pipelines is consisted of three main parts. Firstly, the basic theory and principles are introduced here. A more detailed introduction is carried out with the description of ANSYS FSI and MpCCI, and a comparison between different simulationenvironments.The multiphase flows are very different from single phase flow, particular parameters are introduced. Flow pattern is important in multiphase flow analysis, typical flow patterns of horizontal and vertical pipes are introduced. Setting the multiphase pipe vibration equation, and the natural frequencies are calculated. Taking the effect of pipe parameters and flow parameters.Finally, the CFD and CSD methods are used for the simulation of subsea horizontal pipeline and inverted U-shaped subsea jumper. The gas and liquid volume fractions are used for the flow pattern identification, simultaneously, the dynamic response of subsea pipelines can be gotten. When the natural frequency of the pipe is close to the slug frequency, the amplitude of the vibration will increase, which is a potential risk of failure of the pipe.Key words:multiphase flow; subsea pipelines; flow induced vibration; fluid structure interaction目录摘要 (I)ABSTRACT (III)目录 (1)第一章绪论 (1)1.1 研究目的与意义 (1)1.2 国内外研究现状 (4)1.2.1 管道设计规范要求 (4)1.2.2 多相流管道流致振动研究 (6)1.3 本文主要研究内容 (9)第二章CFD和CSD结合的流固耦合方法 (11)2.1 流固耦合方法介绍 (11)2.2 ANSYS流固耦合实现 (14)2.2.1 耦合面上数据传递 (15)2.2.2 网格映射 (17)2.2.3 ANSYS Mechanical+CFX流固耦合方法流程 (17)2.2.4 ANSYS Workbench System Coupling流固耦合方法流程 (18)2.3 MpCCI流固耦合实现 (20)2.4 本章小结 (23)第三章多相流作用下管道固有振动特性计算 (24)3.1 多相流的参数与基本定义 (24)3.2 多相流流型及流型图 (27)3.2.1 水平管内多相流 (28)3.2.2 垂直管内多相流 (30)3.3 气液两相流管道振动模型 (32)3.3.1 气液两相流管道振动方程 (32)3.2.1 气液两相流管道振动方程求解 (33)3.4 气液两相流管道固有频率计算值与规范公式对比 (34)3.5 管道参数及流动参数对气液两相流管道固有频率的影响 (36)3.5.1 管道参数的影响 (36)3.5.2 管道内流动参数影响 (39)3.6 本章小结 (41)第四章多相流作用下水下管道流致振动问题数值仿真 (42)4.1 水下水平直管数值仿真 (42)4.1.1 水平直管参数 (42)4.1.2 流固耦合设置 (42)4.1.3 水下直管数值仿真结果分析 (44)4.2 水下跨接管数值仿真 (51)4.2.1水下跨接管模态分析 (52)4.2.2 水下跨接管数值仿真结果分析 (55)4.3 本章小结 (64)第五章总结与展望 (65)5.1 主要研究工作总结和结论 (65)5.2 研究展望 (66)参考文献 (67)致谢 (71)攻读硕士学位期间发表学术论文情况 (73)第一章绪论1.1 研究目的与意义近年来，经济高速发展，对油气资源的需求越来越大。
陆上资源开发日益枯竭，使得世界上主要油气开采商将目光投向了海洋。
海洋的总面积占地球表面积71%，海洋内含有丰富的生物资源和矿产资源。
经过几十年的发展，海洋油气资源的开发逐渐从浅海走向深海，世界上主要的海洋油气资源开发集中地有北海(North sea)，墨西哥湾(Gulf of Mexico)，西非(West Africa)，巴西(Brazil)等。
随着中国海洋资源开发政策的实施，中国南海也逐渐成为海洋油气资源开发的重要前沿阵地。
