管路彎頭流致振動(dòng)的影響因素分析

柯兵

1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

2船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430064

0 引 言

在管路系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，彎頭作為重要構(gòu)件在流體的激勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)并輻射噪聲，是管路系統(tǒng)的主要振動(dòng)噪聲源之一。這些振動(dòng)噪聲破壞了環(huán)境舒適性及聲學(xué)隱蔽性，不僅影響與其連接的機(jī)械設(shè)備的工作性能，甚至?xí)?duì)薄弱管段造成疲勞破壞。因此，研究管路內(nèi)彎頭的流場(chǎng)分布及其振動(dòng)噪聲特性非常有必要，對(duì)管路系統(tǒng)的減振降噪設(shè)計(jì)有著重要意義［1-3］。

在工程應(yīng)用中，彎頭的合理布局和設(shè)計(jì)有助于改善管路系統(tǒng)的綜合性能，避免壓降損失，提高系統(tǒng)聲學(xué)質(zhì)量。彎頭是改變管路方向的構(gòu)件，可用于連接通徑相同或不相同的2個(gè)管段。按照改變方向的角度，彎頭可分為 90°，120°和 150°共 3種類(lèi)型。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于管路振動(dòng)研究的方法主要有3種：解析法、數(shù)值法和實(shí)驗(yàn)法。解析法主要根據(jù)勢(shì)流理論研究充液管路振動(dòng)的情況。Pa?doussis［4］將充液直管理論推廣到了帶有曲率的充液彎頭系統(tǒng)，但該方法忽略了流體瞬間壓力脈動(dòng)的變化，不能較好地描述湍流脈動(dòng)對(duì)管壁振動(dòng)響應(yīng)的影響。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的快速發(fā)展，研究人員已廣泛采用數(shù)值法來(lái)研究管路系統(tǒng)的流場(chǎng)及其振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題。Pittard等［5］采用大渦模擬（LES）方法研究了流體脈動(dòng)對(duì)管壁壁面的激勵(lì)特性，并施加于管壁結(jié)構(gòu)上以得到管段管壁的振動(dòng)響應(yīng)，其振動(dòng)—流量關(guān)系與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果吻合較好。然而，過(guò)去針對(duì)管路流—固耦合數(shù)值計(jì)算一般采用FEM-RANS方法求解，對(duì)于湍流在時(shí)間和空間上的瞬態(tài)變化考慮不足，而且對(duì)由流體局部脈動(dòng)引起的管壁振動(dòng)計(jì)算存在誤差。實(shí)驗(yàn)法是直接測(cè)量管段管壁在湍流作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)。Pittard等［6］利用氣—水循環(huán)裝置測(cè)量得到了管段內(nèi)流量與管壁振動(dòng)響應(yīng)之間的關(guān)系，進(jìn)而獲得了表征二者關(guān)系的近似拋物線(xiàn)。李昆等［7］采用類(lèi)似于文獻(xiàn)［5］所用方法，對(duì)氣體流過(guò)管段時(shí)湍流誘發(fā)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。但實(shí)驗(yàn)方法存在固有的缺點(diǎn)：一是實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)本身的缺陷和誤差；二是受測(cè)試環(huán)境影響大，被測(cè)管件振動(dòng)不止來(lái)源于內(nèi)部流體脈動(dòng)，還可能包括流體驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源激勵(lì)，且二者無(wú)法區(qū)分。

文本擬基于文獻(xiàn)［5］所用模擬方法，進(jìn)一步研究管路彎頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流致振動(dòng)的影響，采取的數(shù)值模擬方法插值精度較高，可分析流體脈動(dòng)壓強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律。此外，將構(gòu)建包括重力水箱的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以盡可能消除流體驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源的激勵(lì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證不同曲率半徑、彎曲角度的彎頭在不同管內(nèi)流速下對(duì)流體脈動(dòng)壓強(qiáng)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的影響。

1 彎頭流致振動(dòng)計(jì)算

本文采用有限元軟件構(gòu)建管路彎頭模型進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。首先，獲得流場(chǎng)速度的分布情況和管壁壓降變化，并分析彎頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)管路流場(chǎng)速度和管壁壓強(qiáng)等方面的影響。然后，提取CFD計(jì)算結(jié)果中的載荷信息，并加工處理為時(shí)域載荷和頻域載荷信息，再施加到ANSYS網(wǎng)格模型中，分別進(jìn)行時(shí)域和頻域計(jì)算，從而得到彎頭流致振動(dòng)的最終結(jié)果。

1.1 構(gòu)建模型

本文彎頭模型的通徑D=76 mm，壁厚t=3 mm。模型主要用于分析不同曲率半徑R、不同彎曲角度θ和管內(nèi)平均流速ν（雷諾數(shù)Re=2.24×105～1.12×106）的彎頭管壁的振動(dòng)響應(yīng)。模型中的材料屬性設(shè)置如下：流體介質(zhì)為水；彎頭密度ρ=7 850 kg/m3；楊氏模量E=2.10×1011Pa；泊松比μ=0.3。在彎頭結(jié)構(gòu)3個(gè)截面上選取12個(gè)點(diǎn)作為結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的觀察點(diǎn)，計(jì)算模型和觀察點(diǎn)的分布如圖1所示。

彎頭模型計(jì)算采用粗、細(xì)2種網(wǎng)格。細(xì)網(wǎng)格用于彎頭段以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果；粗網(wǎng)格用于進(jìn)口段和出口段，進(jìn)口段網(wǎng)格長(zhǎng)度取為15D，以得到完全發(fā)展的湍流，出口段網(wǎng)格長(zhǎng)度較短，取為5D，以模擬更合理的出口邊界條件。由于粗、細(xì)網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不一致，故在CFX軟件中通過(guò)交界面（Interface）將2種網(wǎng)格連接，以保持交界面處壓強(qiáng)和速度的連續(xù)性。同時(shí)，模型中流體網(wǎng)格尺度小于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺度，每個(gè)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在插值過(guò)程中要對(duì)應(yīng)多個(gè)流體節(jié)點(diǎn)。本文采用的是插值平均算法，這樣可充分考慮到所有流體節(jié)點(diǎn)上的載荷信息。在設(shè)置彎頭流致振動(dòng)模擬計(jì)算的邊界條件時(shí)，只在涉及流體計(jì)算的細(xì)網(wǎng)格區(qū)域構(gòu)建有限元模型，對(duì)彎頭兩端所有節(jié)點(diǎn)的x，y，z方向自由度進(jìn)行約束。然后，將流場(chǎng)計(jì)算得到的載荷信息結(jié)果加工處理為時(shí)域和頻域載荷信息，再施加到彎頭結(jié)構(gòu)ANSYS網(wǎng)格模型上以完成流致振動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算。

鑒于網(wǎng)格尺度直接影響計(jì)算精度，建模時(shí)主要依據(jù)網(wǎng)格的y+和界面上的速度分布以及流體的剪切應(yīng)力等3個(gè)參數(shù)，在滿(mǎn)足最小渦的尺度前提下，權(quán)衡網(wǎng)格尺度和計(jì)算量。同時(shí)，為確保網(wǎng)格劃分質(zhì)量，在ICEM中運(yùn)用網(wǎng)格檢查工具對(duì)計(jì)算模型網(wǎng)格進(jìn)行檢查。

1.2 結(jié)果分析

圖2所示為流速v=2 m/s時(shí)整個(gè)彎頭區(qū)域的速度流線(xiàn)圖和縱截面上的速度矢量圖。圖中顯示了彎頭不同部位的流速方向和大小，從總體上展示了彎頭流場(chǎng)速度的分布情況。由圖可以看出：彎頭兩端接管處的流場(chǎng)速度分布較為平穩(wěn)，彎頭外側(cè)低而內(nèi)側(cè)高；當(dāng)流體流經(jīng)彎頭時(shí)，由于彎頭內(nèi)、外側(cè)曲率半徑不同，流體在彎頭處產(chǎn)生了不同的離心力，導(dǎo)致彎頭內(nèi)、外側(cè)存在明顯的壓差，這是流體在彎頭處形成漩渦的重要原因［8-9］。此外，漩渦區(qū)主要集中在彎頭出口段1～3D之間的位置，這是彎頭流致振動(dòng)和自激噪聲產(chǎn)生的主要原因。

2 彎頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流致振動(dòng)的影響分析

基于LES方法研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的彎頭在湍流作用下流致振動(dòng)的問(wèn)題。主要開(kāi)展不同曲率半徑R、彎曲角度θ和管內(nèi)流速ν等參數(shù)對(duì)彎頭內(nèi)流體脈動(dòng)壓強(qiáng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算及影響分析。

2.1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

圖3所示為不同流速下彎頭內(nèi)的壓強(qiáng)自功率譜。自功率譜的幅值Φp隨著頻率的增加不斷減小，這說(shuō)明彎頭內(nèi)的脈動(dòng)主要以低頻為主，且為連續(xù)譜。由圖可知：自功率譜不存在明顯的平臺(tái)區(qū)，而是在低頻段處緩慢減小，在超過(guò)某個(gè)頻率后下降速度開(kāi)始加快，當(dāng)達(dá)到某一頻率后下降速度又開(kāi)始放緩；隨著速度的增加，2個(gè)轉(zhuǎn)變速度的頻率點(diǎn)均變大；隨著速度的增加，自功率譜線(xiàn)的總體幅值不斷變大。

圖4所示為不同流速下彎頭振動(dòng)響應(yīng)的加速度級(jí)La。管路彎頭處流體與管壁的撞擊和流動(dòng)方向的改變?cè)斐闪魉偌皦毫Σ痪鶆颍瑥亩a(chǎn)生渦流，引起彎頭強(qiáng)烈振動(dòng)。由圖可知：彎頭的振動(dòng)響應(yīng)譜線(xiàn)也隨著速度的增加而整體上移，且尖峰點(diǎn)與彎頭的固有頻率點(diǎn)重合；在除固有頻率以外的頻段處，隨著頻率的增加，振動(dòng)響應(yīng)不斷變小，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，變小的趨勢(shì)基本接近一條直線(xiàn)。彎頭計(jì)算沒(méi)有考慮阻尼效應(yīng)對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響。

根據(jù)以上方法，分別對(duì)不同曲率半徑R和彎曲角度θ的彎頭模型內(nèi)的流場(chǎng)和流致振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。

1）流場(chǎng)計(jì)算。

2）流致振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算。

在構(gòu)建的彎頭計(jì)算模型中共有12個(gè)觀察點(diǎn)。通過(guò)觀察，各點(diǎn)的振動(dòng)形式基本一致，故僅對(duì)其中一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合。同時(shí)，考慮到不同模型尺寸因素，本文對(duì)比擬合點(diǎn)將彎頭模型的中間點(diǎn)（即5號(hào)點(diǎn)）選為觀察點(diǎn)。通過(guò)對(duì)各彎頭模型中間點(diǎn)計(jì)算結(jié)果的振動(dòng)加速度級(jí)采用Poly5多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，來(lái)反映整個(gè)彎管的振動(dòng)響應(yīng)情況，結(jié)果如圖7和圖8所示。

同樣，采用Poly5多項(xiàng)式函數(shù)，對(duì)不同R和θ的彎頭模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行振動(dòng)加速度級(jí)擬合對(duì)比，得到R和θ對(duì)彎管振動(dòng)加速度級(jí)的影響，結(jié)果如圖9所示。由圖可知：R和θ對(duì)彎頭振動(dòng)加速度級(jí)的影響都非常大，但從對(duì)彎頭振動(dòng)加速度級(jí)的影響幅值來(lái)看，R比θ的影響更大一些。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果分析

本文在低振動(dòng)環(huán)境管路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上建立了不同R的彎頭模型，對(duì)v=1.2 m/s流速下的振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在彎頭模型上布置加速度傳感器來(lái)測(cè)量彎頭管壁的振動(dòng)響應(yīng)?？紤]到彎頭振動(dòng)測(cè)試受測(cè)試環(huán)境影響較大，且被測(cè)彎頭振動(dòng)不止來(lái)源于內(nèi)部流體脈動(dòng)，還可能來(lái)源于流體驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源激勵(lì)等因素，本實(shí)驗(yàn)采用重力水箱為動(dòng)力源，以保證被測(cè)彎頭振動(dòng)響應(yīng)僅來(lái)源于彎頭內(nèi)部流體脈動(dòng)。

圖10所示為曲率半徑R=D，1.5D的彎頭在v=1.2 m/s流速下流致振動(dòng)數(shù)值仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

由圖中湍流引起的彎頭振動(dòng)加速度響應(yīng)計(jì)算與測(cè)量曲線(xiàn)可以看出，二者的振動(dòng)響應(yīng)加速度級(jí)總體上一致，且趨勢(shì)也相同，但在某些頻段處存在偏差。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，該偏差主要來(lái)源于彎頭測(cè)試段前的振動(dòng)噪聲干擾，可以說(shuō)由彎頭湍流引起的振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值是相符的。

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方法研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的彎頭在湍流作用下的流致振動(dòng)問(wèn)題。分析了不同曲率半徑、彎曲角度的彎頭在不同管內(nèi)流速下對(duì)流體脈動(dòng)壓強(qiáng)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的影響，得到的數(shù)值計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，并得到如下結(jié)論：

1）彎頭曲率半徑R、彎曲角度θ和管內(nèi)流速v對(duì)脈動(dòng)功率譜的影響較為明顯。隨著曲率半徑R的增大，脈動(dòng)功率譜值減小，而當(dāng)流速v增大時(shí)，脈動(dòng)功率譜值增大。

2）彎頭曲率半徑R、彎曲角度θ和管內(nèi)流速v對(duì)彎頭管壁振動(dòng)加速度級(jí)的影響都非常大。隨著曲率半徑R、彎曲角度θ的增大和管內(nèi)流速v的減小，彎頭管壁振動(dòng)加速度級(jí)均減小。

3）在管路系統(tǒng)減振降噪設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能選擇曲率半徑R和彎曲角度θ均較大的彎頭，并將管內(nèi)流速v控制在較低的范圍內(nèi)，以確保管路系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

本文研究的結(jié)果可為控制三維空間管路系統(tǒng)的流致振動(dòng)提供參考，并可對(duì)管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)中彎頭結(jié)構(gòu)的布置提供依據(jù)。

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