連通管彎曲布置對橋梁撓度測量精度影響

程景揚 李真興

摘要：本文根據(jù)連通管的基本原理，基于結(jié)構(gòu)動力學理論，考慮彎管布置方式對測量精度的影響。受管道布置時高差影響，連通管可能存在彎曲布置方式?；贏NSYS-FLOTRAN有限元計算結(jié)果和實測結(jié)果的對比分析表明，彎曲布置方式對測量結(jié)果影響較小，僅對距上端彎頭1.5m范圍內(nèi)壓力分布有影響。實際應用中，避開該影響范圍基本可滿足實際測量精度需要。研究結(jié)果對于提高橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)撓度測量精度，準確評估橋梁結(jié)構(gòu)工作性能，具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：連通管；橋梁；健康監(jiān)測；彎曲布置；橋梁撓度

中圖分類號：TU973文獻標識碼：A

壓力場橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的變形，連通管必然要嵌于橋梁結(jié)構(gòu)上；根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的布置特點，布置在橋梁結(jié)構(gòu)上的連通管與遠離基岸的基準水箱相連，而基準水桶與布置在橋頭的連通管存在數(shù)米的高差；當外面環(huán)境對兩者的直線連接存在干擾或者克服連通管與基準水箱高差時，連通管就不可避免的存在連續(xù)的彎曲布置。當水流流經(jīng)彎頭時，由于離心慣性力的作用，外壁壓力升高，內(nèi)壁壓力降低;外壁處的流速相應地較小，內(nèi)壁處的流速則較大。這樣，靠近外壁產(chǎn)生擴散效應，內(nèi)壁則產(chǎn)生收斂效應。又由于離心慣性力的作用，水流在彎管中力圖向外壁方向流動，因此加強了水流對內(nèi)壁的脫離，在內(nèi)壁附近形成渦流區(qū)，并作三維擴散，致使有效斷面減小。此外，由于離心慣性力和邊界層的作用，彎管中還會產(chǎn)生二次流，與主流相疊加形成螺旋流，并且在很長的距離上極緩慢地消失。彎管的阻力系數(shù)不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，而且與彎管的幾何參數(shù)(如彎角、曲率半徑、進出口面積比等)有關(guān)。彎管本身段的損失僅是損失的一部分，應計入其后變勻段的能量損失。彎管內(nèi)壓力降低在徑向最大，曲率半徑小的彎管尤為突出[1]；當壓力變送器布置在彎管紊流的影響范圍內(nèi)，勢必對壓力場橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度造成影響。因此，開展對壓力場橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)的彎曲管道紊流影響范圍的研究，避免該因素的影響，對提高壓力場橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度是很有意義的。

1 ANSYS-FLOTRAN彎曲管道紊流分析基本原理

根據(jù)流體動力學的基本原理[2] ， Boussinesq假設（鮑辛涅斯克假設—流體的密度跟壓強和溫度有關(guān)，在低速流動中，流體壓強變化不大，主要是由于溫度的變化引起密度變化，因此忽略壓強變化引起的密度變化，只考慮溫度變化引起的密度變化）為：

（1-1）

上式各物理量均為時均值（為方便起見，此后，除脈動值是時均值外，其他時均值的符號均予以略去）。稱為紊流粘性系數(shù)，是脈動速度所造成的壓力，定義為：

（1-2）

為單位質(zhì)量的紊動能，

這樣，在直角坐標系下雷諾時均方程的具體表達式如下：

（1-3）

上式中、、、為矩陣，其中：

（1-4）

式中，是流體的密度；是包括紊動能和離心力的折算壓力，即：，為轉(zhuǎn)動任一點角速度，為任一點相對于轉(zhuǎn)動軸線的半徑；為等效粘性系數(shù)，等于分子粘性系數(shù)和Boussinesq渦粘性系數(shù)之和，即。

計算紊流流動的關(guān)鍵就在于如何確定，最常用的是雙方程模型。

方程：

（1-5）

方程：

（1-6）

式中，，，上述兩方程中系數(shù)，，，，的取值為=1.44，=1.92，=0.09，=1.0，=1.3。

2彎曲連通管紊流壓力場模型試驗

２.1彎曲連通管

橋梁結(jié)構(gòu)受到外界激勵的形式一般可以分為兩類，沖擊激勵和連續(xù)激勵。沖擊激勵可以分解為正階躍和負階躍過程，比如橋梁路面不平有障礙物，當有重車經(jīng)過時會對梁體產(chǎn)生沖擊，造成梁體突然產(chǎn)生一個階躍下沉量，車經(jīng)過后梁體又恢復變形。連續(xù)激勵如風載、車輛正常行駛等對梁體的激勵。由于壓力場橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)的連通管嵌于橋梁內(nèi)部，勢必也會隨著橋梁振動，連通管內(nèi)流體也會發(fā)生流動，由于壓力場橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)中存在連通管彎曲布置，流體流經(jīng)彎曲管道產(chǎn)生的紊流會在流體前進方向上的很長的距離上極緩慢地消失。當監(jiān)測系統(tǒng)中壓力變送器布置在此范圍內(nèi)，必然會對該系統(tǒng)的測量精度產(chǎn)生影響[3,4]。

試驗設計一懸臂管道結(jié)構(gòu)，并布置連續(xù)彎曲管道，以初位移激勵懸臂管道振動，以此引起管道內(nèi)液體流動，模擬壓力連通管橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)的彎曲管道內(nèi)的流體流動，并測量距離下端彎頭0.5m，上端彎頭0.5m，1.0m，1.5m處的壓力變化，試驗結(jié)果為彎曲連通管紊流壓力場的有限元模型計算提供實測的進口壓力，并通過對比各測點的實測值與計算值，進而分析誤差產(chǎn)生來源。

２.2試驗驗證

布置如圖2-1試驗裝置；試驗系統(tǒng)由基準水桶、連通管、引壓管組成。連通管采用直徑為0.05m的硬質(zhì)塑料管，而在系統(tǒng)的一端連接是的硬質(zhì)塑料桶，為保證液位在試驗過程中不發(fā)生變化，硬質(zhì)塑料桶的內(nèi)徑為0.35m，兩者截面面積的比值為49，可認為基準桶液位在試驗過程中不變化。試驗彎管分為上端直線段、兩彎曲段、過渡段和下端直線段三部分,下端直線段長度取為；中間過渡段長度取為由于紊流在彎曲段末端仍有較大的橫比降,在上端直線段持續(xù)較長的距離才能完全消失,為保證出口是充分發(fā)展的紊流,取上端直線段。為了模擬橋梁的振動狀態(tài)，試驗系統(tǒng)采用了懸臂的硬質(zhì)塑料管，并在初值位移的激勵下產(chǎn)生間諧運動。

圖2-1 試驗系統(tǒng)示意及布置圖

Fig.2-1 The system layout schematic

試驗方法：以初位移（3cm）激勵懸臂梁懸臂端振動，采用羅斯蒙特3051CD型差壓變送器作為試驗的測量儀器，設置量程為0-0.12KPa，精度為0.284%，誤差為0.341Pa。壓力變送器分別測量1#（距離下端彎頭0.5m）、2#（距離上端彎頭0.5m）、3#（距離上端彎頭1.0m）、4#（距離上端彎頭1.5m）測點；為保證每個工況之間不產(chǎn)生相互影響，故在每個工況完成10min后再進行下一工況。

試驗結(jié)果如圖2-2~2-5：

圖2-2 1#測點壓力時程曲線圖2-3 2#測點壓力時程曲線

Fig 2-2 The pressure variation of 1# measuring point Fig 2-3 The pressure variation of 2# measuring point

圖2-4 3#測點壓力時程曲線 圖2-5 4#測點壓力時程曲線

Fig 2-4 The pressure variation of 3# measuring pointFig 2-5 The pressure variation of 4# measuring point

距離上端彎頭分別為0.5m（2#）、1.0m(3#)、1.5m(4#)壓力測點的壓力變化最大值分別為1.675Pa、0.575Pa、-0.06Pa，如下圖2-6所示。

表2-1 實測最大壓力變化

Table 2-1 The measured maximum pressure change

圖2-6 各測點壓力變化最大值

Figure 2-6 The maximum pressure change

由上圖可以看出，2#測點到4#測點由于流體流經(jīng)彎曲圓管的壓力變化最大值衰減明顯，4#測點壓力變化最大值為-0.06Pa，可認為4#測點不受由于彎曲圓管引起的紊流對壓力測量的影響。

3計算模型驗證

模型的基本參數(shù)：連續(xù)900?彎管圓形截面的直徑為0.05cm,上端彎曲段內(nèi)側(cè)壁面的曲率半徑為,外側(cè)壁面的曲率半徑為,則彎管的半徑比為,其中是曲率的平均半徑。計算區(qū)域內(nèi)彎管分為上端直線段、兩彎曲段、過渡段和下端直線段三部分,下端直線段長度取為；中間過渡段長度取為，為保證出口是充分發(fā)展的紊流,取上端直線段。對上述計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分,彎曲段劃分細密一些,直線段劃分稀疏一些;劃分計算網(wǎng)格約1126個,計算節(jié)點約1247個，有限元模型見圖3-1。

圖3-1 網(wǎng)格劃分

Fig3-1 Meshing

選用FLUID141單元作二維分析。分析時假定進口壓力均勻，模型采用1#壓力測點的實測壓力值為模型的進口壓力，為。在所有壁面上施加無滑移邊界條件（即所有速度分量都為零）；假定流體不可壓縮，并且其性質(zhì)為恒值。此情況下，壓力就可只考慮相對值，故在出口處施加的壓力邊界條件是相對壓力為零。

流體的介質(zhì)為水，密度為，運動粘度；迭代次數(shù)為300次。

圖3-2 彎曲管道壓力分布圖

Fig3-2 Pressure distribution of the curved pipe

由上圖分析結(jié)果可得，流體流經(jīng)彎曲圓管后1.382m處的壓力變化為0.354Pa，可認為該點處由于流體流經(jīng)彎曲圓管引起的壓力不發(fā)生改變。

4 結(jié)論

本文主要探討了由于流體流經(jīng)彎曲管道產(chǎn)生的壓力分布不均對液壓連通管測量精度的影響：

（1）闡述了有限元分析軟件ANSYS-FLOTRAN紊流分析的基本原理。

（2）建立了流體流經(jīng)連續(xù)彎曲圓管引起的壓力分布不均的試驗模型，分別測量距離下端彎頭0.5m、上端彎頭0.5m、1.0m、1.5m的壓力變化，結(jié)果分別為1.675Pa、0.575Pa、-0.06Pa。

（3）以距離下端彎頭0.5m的實測壓力變化最大值10.675Pa為有限元模型的進口壓力，建立了ANSYS-FLOTRAN有限元模型，對實測值與計算值進行了對比，并通過對有限元模型進行分析，得出壓力變化的影響范圍為距上端彎頭1.382m，因此，在系統(tǒng)壓力變送器的實際布置中，應避免該因素對壓力場橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)精度的影響。

參考文獻：

[1] 郭曹虹.彎管阻力損失的理論及實驗研究[D].上海：華東理工大學,2012.

[2] 李心銘,流體動力學[M].北京：高等教育出版社.1996.

[3] 張曉東,泄洪洞高速水流三維數(shù)值模擬[D].北京：中國水利水電科學研究院水力學所,2004.

[4] 張土喬,尹則高,毛根海.彎曲圓形管道紊流的數(shù)值模擬[J].水力發(fā)電學報2005, 24(3):61-65.

作者簡介：程景揚（1987-），男，碩士研究生