基于Workbench的流固耦合作用下三通管振動特性分析

韓天宇,郭長青,諶冉曦

(南華大學 土木工程學院,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

在輸流管道中，由于流體的不連續(xù)加壓和流體的無規(guī)則流動，產(chǎn)生強烈的壓力波動，管道則會產(chǎn)生很大的振動，甚至發(fā)生破壞。因此有必要研究輸液管道系統(tǒng)的流固耦合振動的振動特性及其影響因素。桑永等[1]使用ANSYS軟件分析了大流量管路流固耦合振動；齊歡歡等[2]使用ANSYS和CFX軟件對輸液管道進行了有限元分析；熊雄等[3]針對液壓輸流管內(nèi)的壓力脈動進行研究，對壓力脈動進行編程，得到了壓力脈動作用產(chǎn)生的激振力的變化；姬賀炯等[4]進行了輸流管道的動力有限元建模并進行了實驗；趙寧[5]應用Workbench軟件分析了流固耦合作用下的彎管的振動特性；張曉明[6]應用Workbench軟件對室內(nèi)供水管道進行有限元分析，并用實驗進行了輔助驗證；王濤[7]應用Workbench軟件探究了孔板對于管道振動的穩(wěn)定和抑制作用；盧嘉偉等[8]研究了豎直彎管在不同彎轉(zhuǎn)角度條件下的振動特性；俞樹榮等[9]分析了彎管的流固耦合動力特性，考慮了脈動壓力、壁厚和管徑對固有頻率的影響；朱炎等[10]對氣液兩相流情況下的輸水管道進行了實驗，實驗表明輸水管道含氣率越大，管道不同位置的振動強度差別越大；梁建術等[11]應用ANSYS Workbench軟件對流固耦合輸液波紋管進行了模態(tài)分析；D.C.Wiggert等[12]把管道的的結(jié)構(gòu)部分以直管的低階模態(tài)的方式代替，流體部分則利用經(jīng)典水錘理論對流體域進行響應計算；D.C.Wiggert等[13]以四方程模型為基礎，將四方程模型拓展為十四方程模型，通過實驗進行了驗證，與計算結(jié)果能夠良好吻合Y.Z.Xu等[14]提出了一種多分支管道的通用解決方案，為預測復雜管道系統(tǒng)的頻率響應提供了一種方法；W.Wang等[15]利用ANSYS軟件對系統(tǒng)在固定開度與變開度情況和流開型與流閉型情況下振動響應進行了定性分析。

本文以三通管為研究對象，應用ANSYS Workbench軟件對其進行單向流固耦合的振動分析，以三通管的雙進單出和單進雙出兩種流體流動方式分別分析了入水口壓強、入水口流速和管壁厚度對管道振動特性的影響。經(jīng)計算分析得出雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大，兩種不同流體流動方式三通管的前六階振型都主要是整體梁變形。隨著入水口壓強和入水口流速的增加，三通管的固有頻率逐漸增加；在三通管外徑不變的情況下，隨著壁厚的增加，前三階固有頻率明顯降低，第4～6階固有頻率先升后降。在入水口壓強、入水口流速和壁厚等條件相同的情況下，雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大。

1 數(shù)值模擬

1.1 模擬方法

流固耦合的仿真分析一般情況下有單向耦合法和雙向耦合法兩種方法。流場在管道中運動而產(chǎn)生的管道結(jié)構(gòu)變形較小，對流場產(chǎn)生的影響很小，故采用單向耦合法對結(jié)構(gòu)進行計算。此方法通過ANSYS-CFX對流場進行分析，再將得出的結(jié)果以荷載的形式作用于結(jié)構(gòu)表面上，之后在Workbench中對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析。

1.2 幾何參數(shù)

三通管模型如圖1所示，外徑100 mm，壁厚6.9 mm，左管長500 mm，右管長500 mm，上管長800 mm。先采用Solidworks建立三通管的3D模型，然后導入Workbench中，生成對應模型，再用DesignModeler軟件中的填充功能建立流體模型。本文設計三通管內(nèi)流體共有兩種流動方式，第一種左管端口和上管端口為流體入口，右管端口為流體出口，即為雙進單出三通管；第二種上管端口為流體入口，左管端口和右管端口為流體出口，即為單進雙出三通管。

1.3 材料參數(shù)

管道采用普通鋼材，密度7 850 kg/m3，彈性模量200 GPa，泊松比0.3。流體密度998.2 kg/m3，介質(zhì)聲速1 450 m/s，動力粘度0.001 01 Pa·s。

1.4 網(wǎng)格劃分

利用ANSYS ICEM網(wǎng)格劃分技術對流體和管道進行六面體網(wǎng)格劃分，并在流體的流固交界面處添加5層4 mm(共20 mm)的膨脹層以減小網(wǎng)格畸變率，提高網(wǎng)格的精度。

1.5 CFX設置

在CFX中將管道設置為固體域，將流體設置為流體域。再將流體的入口與出口設置為流體的入口邊界與出口邊界。

1.6 原始條件

因為管道中出口與入口的原始條件不能同時設置為速度和壓強，所以在CFX中設置雙進單出三通管的左管端口及上管端口為入口，入水口流速為10 m/s，兩入水口流速、壓強相同；將三通管的右管端口設置為出口，壓強為0；在CFX中將單進雙出三通管的上管端口為入口，入水口流速為10 m/s；將三通管的左管端口和右管端口設置為出口，壓強為0。在Workbench中設置結(jié)構(gòu)體帶有9.8 m/s2的重力加速度，且在三個管口的環(huán)面處帶有固定約束。

2 結(jié)果分析

2.1 原始條件下的固有頻率

根據(jù)原始條件，在Workbench中的modal模塊中得出前六階固有頻率，見表1。原始條件下雙進單出三通管的前六階振型圖，見圖2；原始條件下單進雙出三通管的前六階振型圖，見圖3。

表1 原始條件情況下的三通管的前六階固有頻率

從表1中可以看出雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大。

從振型三維圖的不同角度看到，對兩種不同的流體流動方式的三通管，第一、三、五階振型圖在z軸方向上有位移，在x，y軸方向上無位移；第二、四、六階振型圖在x，y軸方向上有位移，在z軸方向上無位移。

從圖2和圖3中可以看出兩種不同的流體流動方式的三通管的前六階振型主要是整體梁變形。

2.2 原始條件下的流速、壓強圖

通過CFX-Post得出雙進單出三通管流體流速流線圖、壓強云圖，見圖4。單進雙出三通管流體流速流線圖、壓強云圖，見圖5。

從圖4～圖5中可以看出，在雙進單出三通管中，當流體剛流入管內(nèi)時，流速較低、壓強較高；當兩股流體在三管交界處交匯時，流速增加，壓強降低；在單進雙出三通管中，當流體流入管內(nèi)時，流速較高，壓強較低，當流體流入三管交界處交匯時，流速降低，壓強先變小后逐漸增加，隨后在流體分流至左右管時壓強逐漸降低。

2.3 不同入水口壓強對三通管固有頻率的影響

在原始條件除入水口壓強外其它參數(shù)不變的基礎上，調(diào)整了入水口壓強的大小，分別為0、5、10、20、50 MPa，將出水口的流速調(diào)整為10 m/s，計算結(jié)果見表2和表3。

表2 不同入水口壓強條件下雙進單出三通管的前六階固有頻率

表3 不同入水口壓強條件下單進雙出三通管的前六階固有頻率

從表2和表3中可以看出，在所研究的壓強范圍內(nèi)，隨著入水口壓強的增加，雙進單出三通管的固有頻率有明顯的增加，單進雙出三通管的固有頻率增加的不明顯。主要是因為入水口壓強越大，管道壁內(nèi)的拉應力越大，使得管道的彎曲剛度越大，管道的固有頻率越大。在入水口壓強條件相同的情況下，雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大。

2.4 不同入水口流速對三通管固有頻率的影響

在原始條件除入水口流速外其它參數(shù)不變的基礎上，調(diào)整了兩入水口流速的大小，分別為0、5、10、20、50 m/s，計算結(jié)果見表4和表5。

表4 不同入水口流速條件下雙進單出三通管的前六階固有頻率

從表4和表5中可以看出，在所研究的入水口流速范圍內(nèi)，是隨著入水口流速的增加，三通管的固有頻率也有所增加，但是變化幅度不是很大。在入水口流速條件相同的情況下，雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大。

2.5 三通管外徑不變的條件下壁厚對三通管固有頻率的影響

在原始條件的基礎上，外徑不變的條件下，調(diào)整了管道壁厚的大小，分別為2、4、6、8、10 mm，計算結(jié)果見表6和表7。

表5 不同入水口流速條件下單進雙出三通管的前六階固有頻率

表6 不同壁厚條件下雙進單出三通管的前六階固有頻率

表7 不同壁厚條件下單進雙出三通管的前六階固有頻率

在外徑相同的情況下，不同壁厚可導致管道的剛度和質(zhì)量不同。壁厚的增加會使得管道剛度的增加，剛度的增加則會致使管道固有頻率的增加；而管道質(zhì)量的增加則會致使管道固有頻率的降低。在二者的共同作用下，固有頻率的變化可能呈現(xiàn)不同的規(guī)律，從表6和表7可以看出隨著壁厚的增加，前三階固有頻率明顯降低，是由于質(zhì)量的影響占優(yōu)；第4～6階固有頻率先升后降，先是剛度的影響占優(yōu)，后是質(zhì)量的影響占優(yōu)。在壁厚條件相同的情況下，雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大。

3 結(jié) 論

1)雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大。兩種不同流體流動方式的三通管的前六階振型主要是整體梁變形。

2)在雙進單出三通管中，當流體剛流入管內(nèi)時，流速較低、壓強較高；當兩股流體在三管交界處交匯時，流速增加，壓強降低；在單進雙出三通管中，當流體流入管內(nèi)時，流速較高，壓強較低，當流體流入三管交界處交匯時，流速降低，壓強先變小后逐漸增加，隨后在流體分流至左右管時壓強逐漸降低。

3)隨著入水口壓強的增加，雙進單出三通管的固有頻率有明顯的增加，單進雙出三通管的固有頻率增加的不明顯；入水口速度大小的改變對于結(jié)構(gòu)固有頻率的影響很小，但是隨著入水口速度的增加，三通管的固有頻率也有所增加；在三通管外徑不變的情況下，隨著壁厚的增加，前三階固有頻率明顯降低，是由于質(zhì)量的影響占優(yōu)；第4～6階固有頻率先升后降，先是剛度的影響占優(yōu)，后是質(zhì)量的影響占優(yōu)。在入水口壓強、入水口流速和壁厚等條件相同的情況下，雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大。