充液管道中弯头流固耦合振动分析数学建模研究
发布时间：2021-11-24 10:01
基于特征线14方程模型,对充液管路系统中弯头处的流固耦合进行了建模研究,得出了弯头处的平衡方程,通过C++软件开发管道流固耦合时域响应计算程序,结合文献算例验证了建模的正确性,研究了弯头对管道流固耦合振动特性的影响。结果表明,和直管相比,弯接头的存在能够降低流固耦合作用中流体压力和管道所受轴向应力脉动的峰值;弯头角度为90°时,弯头处流体压力脉动以及管道轴向应力脉动的峰值最小。
【文章来源】：机械制造与自动化. 2019,48(03)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
弯管模型平面内转弯处流固耦合振动可表示为:相对流量:［Af(V－u·z)］1=［Af(V－u·z)］2
?x、y、z方向的运动速度;θ·x、θ·y、θ·z分别为管道绕y、x、z轴的转动速度;Af、As分别为管内流体和固体管道的横截面积;β为流体方向改变角度(弧度)，顺时针改变为正，逆时针为负;下标“1”和“2”分别表示进口和出口;两管之间的夹角π－β保持不变;忽略肘部的椭圆化和与之相关联的挠性增加和应力增强。当弯管尺寸相对于整个管道系统尺寸很小时，可直接利用上述弯管模型直接求解。当弯管在管道系统中的尺寸不能忽略时，可将其简化成若干弯管段处理，如图3所示。即将整个弯管转换成n个首尾相连的弯管组成，每个弯管流体方向改变角度为β/n。图3弯管处理方法2算例验证本节结合国内外文献中的算例和本文方法计算的结果进行对比，用来验证自编软件的正确性和存在的缺陷。2．1直管算例的验证取油田注水管道的一段直管作为研究对象，进行流固耦合振动分析。该管段一端为蓄水池，水面高度H=20m，管长L=20m，外径D外=813mm，管壁厚度e=8mm。管道的材料为钢，其密度为ρ固=7800kg/m3，弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0．3。管道中的液体为水，其密度为ρ液=1000kg/m3，液体体积模量K=2．1GPa，摩擦系数f=0．02。初始流速为1m/s，阀门后压强为0Pa，阀门突然关闭(不考虑阀门关闭效应)。另外考虑了阀门缓慢关闭的情况，阀门关闭时间为30ms。图4为整个蓄水池—管道—阀门系统示意图。图4蓄水池—管道—阀门示意图使用该模型进行流固耦合振动计算，并将结果与文献对比，对比结果如图5、图6所示。图4中选取的测量点为管末端?
GPa，泊松比μ=0．3。管道中的液体为水，其密度为ρ液=1000kg/m3，液体体积模量K=2．1GPa，摩擦系数f=0．02。初始流速为1m/s，阀门后压强为0Pa，阀门突然关闭(不考虑阀门关闭效应)。另外考虑了阀门缓慢关闭的情况，阀门关闭时间为30ms。图4为整个蓄水池—管道—阀门系统示意图。图4蓄水池—管道—阀门示意图使用该模型进行流固耦合振动计算，并将结果与文献对比，对比结果如图5、图6所示。图4中选取的测量点为管末端阀门处。图5为瞬间关闭阀门时液体压强随时间的变化规律，图6为阀门关闭时间为30ms时压强随时间的变化规律。其中曲线1为程序计算结果，曲线2为文献［6］结果。通过对比管内流体压强的计算结果与文献［6］的结果，幅值、周期以及变化趋势都吻合得非常好。验证了自编软件的正确性。图5阀门瞬间关闭时阀门处流体压强的变化对比·121·
【参考文献】：
期刊论文
[1]液压管路流固耦合振动机理及控制研究现状与发展[J]. 权凌霄,孔祥东,俞滨,白欢欢. 机械工程学报. 2015(18)
[2]管材参数对输液管流固耦合振动的影响[J]. 杨超,范士娟. 振动与冲击. 2011(07)
[3]NUMERICAL SOLUTION OF FLUID-STRUCTURE INTERACTION IN LIQUID-FILLED PIPES BY METHOD OF CHARACTERISTICS[J]. YANG Chao College of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China School of Mechatronic Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China YI Menglin College of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2007(03)
[4]输流管道流固耦合振动研究进展[J]. 张立翔,黄文虎,A S TIJSSELING. 水动力学研究与进展（A辑）. 2000(03)
硕士论文
[1]输流管道动力学问题的数值计算研究[D]. 华颖钰.南京航空航天大学 2015
[2]充液管道动力学建模与振动特性分析[D]. 姚煜中.上海交通大学 2011
[3]充液管道振动特性分析及其减振控制[D]. 金长明.上海交通大学 2010
本文编号：3515751
【文章来源】：机械制造与自动化. 2019,48(03)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
弯管模型平面内转弯处流固耦合振动可表示为:相对流量:［Af(V－u·z)］1=［Af(V－u·z)］2
?x、y、z方向的运动速度;θ·x、θ·y、θ·z分别为管道绕y、x、z轴的转动速度;Af、As分别为管内流体和固体管道的横截面积;β为流体方向改变角度(弧度)，顺时针改变为正，逆时针为负;下标“1”和“2”分别表示进口和出口;两管之间的夹角π－β保持不变;忽略肘部的椭圆化和与之相关联的挠性增加和应力增强。当弯管尺寸相对于整个管道系统尺寸很小时，可直接利用上述弯管模型直接求解。当弯管在管道系统中的尺寸不能忽略时，可将其简化成若干弯管段处理，如图3所示。即将整个弯管转换成n个首尾相连的弯管组成，每个弯管流体方向改变角度为β/n。图3弯管处理方法2算例验证本节结合国内外文献中的算例和本文方法计算的结果进行对比，用来验证自编软件的正确性和存在的缺陷。2．1直管算例的验证取油田注水管道的一段直管作为研究对象，进行流固耦合振动分析。该管段一端为蓄水池，水面高度H=20m，管长L=20m，外径D外=813mm，管壁厚度e=8mm。管道的材料为钢，其密度为ρ固=7800kg/m3，弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0．3。管道中的液体为水，其密度为ρ液=1000kg/m3，液体体积模量K=2．1GPa，摩擦系数f=0．02。初始流速为1m/s，阀门后压强为0Pa，阀门突然关闭(不考虑阀门关闭效应)。另外考虑了阀门缓慢关闭的情况，阀门关闭时间为30ms。图4为整个蓄水池—管道—阀门系统示意图。图4蓄水池—管道—阀门示意图使用该模型进行流固耦合振动计算，并将结果与文献对比，对比结果如图5、图6所示。图4中选取的测量点为管末端?
GPa，泊松比μ=0．3。管道中的液体为水，其密度为ρ液=1000kg/m3，液体体积模量K=2．1GPa，摩擦系数f=0．02。初始流速为1m/s，阀门后压强为0Pa，阀门突然关闭(不考虑阀门关闭效应)。另外考虑了阀门缓慢关闭的情况，阀门关闭时间为30ms。图4为整个蓄水池—管道—阀门系统示意图。图4蓄水池—管道—阀门示意图使用该模型进行流固耦合振动计算，并将结果与文献对比，对比结果如图5、图6所示。图4中选取的测量点为管末端阀门处。图5为瞬间关闭阀门时液体压强随时间的变化规律，图6为阀门关闭时间为30ms时压强随时间的变化规律。其中曲线1为程序计算结果，曲线2为文献［6］结果。通过对比管内流体压强的计算结果与文献［6］的结果，幅值、周期以及变化趋势都吻合得非常好。验证了自编软件的正确性。图5阀门瞬间关闭时阀门处流体压强的变化对比·121·
【参考文献】：
期刊论文
[1]液压管路流固耦合振动机理及控制研究现状与发展[J]. 权凌霄,孔祥东,俞滨,白欢欢. 机械工程学报. 2015(18)
[2]管材参数对输液管流固耦合振动的影响[J]. 杨超,范士娟. 振动与冲击. 2011(07)
[3]NUMERICAL SOLUTION OF FLUID-STRUCTURE INTERACTION IN LIQUID-FILLED PIPES BY METHOD OF CHARACTERISTICS[J]. YANG Chao College of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China School of Mechatronic Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China YI Menglin College of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2007(03)
[4]输流管道流固耦合振动研究进展[J]. 张立翔,黄文虎,A S TIJSSELING. 水动力学研究与进展（A辑）. 2000(03)
硕士论文
[1]输流管道动力学问题的数值计算研究[D]. 华颖钰.南京航空航天大学 2015
[2]充液管道动力学建模与振动特性分析[D]. 姚煜中.上海交通大学 2011
[3]充液管道振动特性分析及其减振控制[D]. 金长明.上海交通大学 2010
本文编号：3515751
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