管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)研究進(jìn)展

唐熊輝1，俞健2，張德滿2，蔡標(biāo)華2

（1.遼寧海軍駐431廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064）

管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)研究進(jìn)展

唐熊輝1，俞健2，張德滿2，蔡標(biāo)華2

（1.遼寧海軍駐431廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064）

流固耦合是研究流體與結(jié)構(gòu)之間耦合振動(dòng)的一門技術(shù)，管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)的有效應(yīng)用可以降低管路系統(tǒng)振動(dòng)強(qiáng)度，并提高管路系統(tǒng)安全性。總結(jié)了管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)相關(guān)理論；介紹了運(yùn)用商業(yè)軟件進(jìn)行管路系統(tǒng)流固耦合數(shù)值計(jì)算的方法；描述了國(guó)內(nèi)外管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)的試驗(yàn)研究現(xiàn)狀。最后對(duì)管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

管路；振動(dòng)；流固耦合

0 引言

液體輸送管路系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)中，特別是船舶工業(yè)、核工業(yè)以及航空航天工業(yè)等領(lǐng)域。管路系統(tǒng)工作時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)動(dòng)力源工作或閥門附件的啟閉都會(huì)在管路系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)。壓力脈動(dòng)可能與管路系統(tǒng)的固有特性相互耦合，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，將降低管路系統(tǒng)、管路附件以及管路支撐的使用壽命，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。因此，針對(duì)管路系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)機(jī)制的研究，對(duì)設(shè)計(jì)安全可靠的管路系統(tǒng)和現(xiàn)有管路系統(tǒng)進(jìn)行減振降噪處理，具有非常重要的意義。本文將就近年來(lái)管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)的理論研究、仿真計(jì)算以及試驗(yàn)研究的進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)述，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論。

1 管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)理論研究

流體管路系統(tǒng)的流固耦合主要包括四種機(jī)制：摩擦耦合、泊松耦合、連接耦合和Bourdon耦合。摩擦耦合是由于管壁和流體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由粘性摩擦力導(dǎo)致的流體與管路之間的相互作用，在一般情況下，只有在較高頻率范圍內(nèi)，摩擦耦合才會(huì)對(duì)管路系統(tǒng)的振動(dòng)產(chǎn)生較大的影響；泊松耦合是由壓力脈動(dòng)導(dǎo)致的流體與管壁之間的一種沿程耦合，在中、低頻情況下泊松耦合對(duì)管路系統(tǒng)的振動(dòng)影響較大；連接耦合是由于管路連接處的流體擾動(dòng)，引起管路不連續(xù)部位的壓力不平衡而產(chǎn)生的一種流體與管路之間的動(dòng)力耦合，在中、低頻情況下連接耦合對(duì)管路系統(tǒng)的振動(dòng)也有較大的影響；Bourdon耦合是指在彎曲管段處，流體壓力具有將管路非圓截面“拉直”的效應(yīng)。目前，描述管路系統(tǒng)流固耦合機(jī)理的數(shù)學(xué)模型有4－方程模型、8－方程模型以及14－方程模型等，這些模型均為擬線性模型，其中應(yīng)用最為廣泛的為4－方程模型。

（1）基于4方程的傳遞矩陣法。上海交通大學(xué)的金長(zhǎng)明等推導(dǎo)了基于流固耦合4－方程模型的管路系統(tǒng)傳遞矩陣，得到簡(jiǎn)單直管段軸向、橫向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的傳遞方程，并以此方程為基礎(chǔ)集合離散方法，得到了彎管路的傳遞方程。進(jìn)行管路系統(tǒng)流固耦合計(jì)算時(shí)，需將管路系統(tǒng)中附件和支架進(jìn)行簡(jiǎn)化，便可以推導(dǎo)出管路系統(tǒng)的傳遞矩陣，從而可以進(jìn)行管路系統(tǒng)模態(tài)、諧響應(yīng)計(jì)算。

（2）管路流固耦合振動(dòng)的行波方法。傳遞矩陣法適用于較簡(jiǎn)單的管路系統(tǒng)，不適合形狀復(fù)雜的管路系統(tǒng)。西北工業(yè)大學(xué)的任建亭等研究了管路流固耦合振動(dòng)的行波方法，行波法是根據(jù)充分利用管路中振動(dòng)波的傳播和反射規(guī)律，結(jié)合系統(tǒng)微分方程的解析解建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用該模型可以計(jì)算出考慮流固耦合的管路系統(tǒng)振動(dòng)的精確解。行波法建模相對(duì)容易，可以對(duì)較復(fù)雜管路系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。

（3）非恒定流充液管系統(tǒng)耦合振動(dòng)特性。華中科技大學(xué)的楊超基于Timoshenko梁理論，推導(dǎo)出了非恒定流體管路的耦合振動(dòng)的微分方程，并以此微分方程為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出管路在流體作用下在軸向扭轉(zhuǎn)、拉壓與截面方向彎曲的耦合振動(dòng)方程。進(jìn)一步推導(dǎo)出了不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣性影響的流體管路系統(tǒng)軸向拉壓與截面方向彎曲的耦合振動(dòng)方程。在具有周期性脈動(dòng)液體作用工況下，聯(lián)合兩端支承充液管系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程，通過(guò)設(shè)定無(wú)量綱參數(shù)和變量，推導(dǎo)出了非恒定流充液管路耦合非線性運(yùn)動(dòng)方程的無(wú)量綱形式。最后根據(jù)流體直管耦合非線性運(yùn)動(dòng)方程推導(dǎo)出了流體直管段的軸向振動(dòng)、橫向彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的流固耦合擬線性方程。

2 流固耦合有限元方法研究

目前可以進(jìn)行管路系統(tǒng)流固耦合計(jì)算的商業(yè)軟件有ANSYS和NASTRAN。由于管路系統(tǒng)中管路與液體之間的耦合作用比較復(fù)雜，并常含有泵、閥門、彎管等強(qiáng)流固耦合元件，當(dāng)這些連接元件沿管路作軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體與管路之間發(fā)生連接耦合，造成有限元建模非常困難。因此，管路系統(tǒng)流固耦合有限元方法的關(guān)鍵技術(shù)是處理哥氏力以和管路系統(tǒng)中泵、閥門、彎管等邊界條件。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)有限元模型進(jìn)行校正，可以大幅促進(jìn)有限元技術(shù)的發(fā)展。上海交通大學(xué)的郭慶等研究了管路系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)的機(jī)制，利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行輸液管路流固耦合振動(dòng)仿真計(jì)算，研究了不同支撐方式、不同管路長(zhǎng)度、不同流體流速時(shí)，輸液管路流固耦合振動(dòng)情況；總結(jié)了流固耦合、支撐方式、管路長(zhǎng)度、管路類型等因素對(duì)管路振動(dòng)和固有頻率的影響。得到了通過(guò)改變管路的支撐方式和相鄰支撐結(jié)構(gòu)間距離來(lái)改變管路的固有頻率的方法，以避免管路共振的發(fā)生。

3 管路系統(tǒng)流固耦合試驗(yàn)研究

（1）國(guó)內(nèi)試驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)關(guān)于管路系統(tǒng)流固耦合的試驗(yàn)研究相對(duì)較少。昆明理工大學(xué)的張立翔等人在某長(zhǎng)距離管路系統(tǒng)上進(jìn)行了耦合水擊波動(dòng)特性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)管路水擊波動(dòng)受多種耦合因素的影響，波動(dòng)特性十分復(fù)雜。波動(dòng)特性是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)，通過(guò)控制多種耦合效應(yīng)改變壓力波動(dòng)的特性，能有效地控制水擊壓力的增加。華東船舶工業(yè)學(xué)院的唐春麗等人在1.5m長(zhǎng)的直管路模型上，采用單點(diǎn)平穩(wěn)隨機(jī)激勵(lì)的方法，分別對(duì)空管、管中加水、管中加油等工況，進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，獲得了各種工況下前五階模態(tài)頻率、振型以及模態(tài)阻尼。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同情況下的充液管路，模態(tài)參數(shù)有很大的差別，對(duì)于不同的液體，隨著液體重量的增加，管路系統(tǒng)相應(yīng)的模態(tài)頻率呈遞減趨勢(shì)；充液管路系統(tǒng)屬于小阻尼系統(tǒng)，模態(tài)相同時(shí)，阻尼隨著管路系統(tǒng)中的水量的增加而增大；不同情況下的同一階模態(tài)的振型節(jié)點(diǎn)位置會(huì)有所移動(dòng)，形狀也會(huì)發(fā)生變化，但是差別較小。

（2）國(guó)外試驗(yàn)研究。國(guó)外關(guān)于管路系統(tǒng)的流固耦合試驗(yàn)研究已經(jīng)達(dá)到了較高的水平。S.R.Reid研究了管路的尾擊效應(yīng)，分析了在管路破口處產(chǎn)生的流體動(dòng)力作用下，懸臂管路的響應(yīng)問(wèn)題。采用不銹鋼管路，管路直徑與壁厚之比分別為19.5、28、32，得到了不同幾何尺寸管路的抖動(dòng)響應(yīng)特性。WemerErath分析了高壓泵突然停泵或閥門突然關(guān)閉引起水錘時(shí)，流固耦合作用的建模問(wèn)題，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量了作用于管壁上的壓力值。結(jié)果表明，當(dāng)支撐較少、剛度較低的薄壁管路系統(tǒng)中存在水錘問(wèn)題時(shí)，管壁上的流體壓力計(jì)算必須要考慮流固耦合作用。因?yàn)榱鞴恬詈峡稍黾酉到y(tǒng)的有效阻尼，所以考慮流固耦合時(shí)，作用于管路和支撐上的荷載減小了，同時(shí)流固耦合作用對(duì)管路結(jié)構(gòu)固有頻率也有一定的影響。OlivieDoar研究了管內(nèi)流體導(dǎo)致的懸空管道失穩(wěn)現(xiàn)象，分析了管長(zhǎng)對(duì)管道穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)管長(zhǎng)超過(guò)一臨界值后，管內(nèi)流體速度引起的失穩(wěn)現(xiàn)象不再與管道長(zhǎng)度有關(guān)。H.D.Kim研究了由直角彎頭出口釋放的沖擊波引起的管內(nèi)流體脈動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直角的斜面彎頭對(duì)控制管內(nèi)流體的脈動(dòng)具有重要作用。

4 管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)展望

隨著各個(gè)領(lǐng)域使用需求的不斷發(fā)展，管路系統(tǒng)中流體介質(zhì)的流速和壓力將不斷提高，針對(duì)管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)的研究將越來(lái)越重要。綜合目前管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)的研究現(xiàn)狀，可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)行更深入的研究：第一，從流固耦合理論地角度，采用何種更好的分析方法來(lái)研究充液管系統(tǒng)的響應(yīng)，值得進(jìn)一步深入的研究。第二，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得流固耦合技術(shù)的有限元分析方法成為最有潛力的數(shù)值計(jì)算方法，進(jìn)一步針對(duì)該方法的研究將使流固耦合技術(shù)的應(yīng)用更加普遍。第三，加強(qiáng)復(fù)雜管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)的試驗(yàn)研究，對(duì)于驗(yàn)證現(xiàn)有流固耦合理論在復(fù)雜管路系統(tǒng)上的正確性和適用性具有重要的意義，試驗(yàn)研究的結(jié)果也可以作為驗(yàn)證有限元分析結(jié)果精度的參照。第四，從流固耦合技術(shù)的角度研究管路系統(tǒng)減振降噪的措施，比如合理的設(shè)計(jì)管路系統(tǒng)的布局、確定約束位置、采用阻尼材料對(duì)管路振動(dòng)進(jìn)行被動(dòng)控制等，將使得針對(duì)管路系統(tǒng)的流固耦合技術(shù)更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)是影響管路系統(tǒng)減振降噪以及安全性的重要技術(shù)，本文通過(guò)對(duì)近年來(lái)管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行歸納整理，綜述了管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)的研究現(xiàn)狀，探討了管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，認(rèn)為針對(duì)管路系統(tǒng)的響應(yīng)研究、流固耦合技術(shù)的有限元分析方法研究、復(fù)雜管路系統(tǒng)流固耦合技術(shù)的試驗(yàn)研究和從流固耦合技術(shù)角度出發(fā)的管路系統(tǒng)減振降噪措施研究等進(jìn)行更深入的研究具有重要意義。

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圖8 壓尾板裝置示意圖

TH137

A

1671-0711（2016）10（下）-0131-02