基于高阶有限差分法的管道瞬态特性研究

【摘要】：本文研究了流体管道中瞬态压力变化及其对管道结构的影响。管道中瞬态压力的变化是由于管道稳态条件的改变所引起的,包括泵或阀的开启关闭。瞬时压力的振幅和持续时间取决于流体的速率、管路材料和系统的边界条件,包括油箱、泵、控制阀和管路的变径,这些都属于流致振动或流固耦合问题的一部分。流固耦合(FSI)是指弹性结构体与其内部及外围流场之间的相互作用,很多工程系统设计时通常需要考虑流固耦合问题,比如航空器、核工业和管路系统。管路中流固耦合的研究主要集中在系统的控制方程、数学方法和算法实现过程。 文中推到并完善了流体管道控制方程,通过与现有文献资料中的管道控制模型进行了对比分析,在继承原有管道控制方程线性项的基础上,重点完善了方程的非线性项,考虑了管道横向切应力和弹性张力对管道轴向振动的影响；同时,将数值特性线法(MOC)运用于流体、管道连续性方程和动量方程,并得到了管道水击耦合方程；在实际管路实验系统中,通过对二阶、四阶和六阶等高阶有限差分法(HFDM)解算精度的分析和比较发现,四阶有限差分法具有最高计算精度；对管路水击压力进行了实验测试,运用耦合和非耦合算法对管道流固耦合问题进行了求解,并将管道的挠度作为外部激励的参考依据。 通过比较发现,管道耦合算法计算得到的管道水击压力与实验测试结果相致,同时,采用管道耦合算法避免了非耦合算法初始化计算时必需的外部激励,从而提高了数值计算精度；管道特性参数对流体流速、管道振幅和水击压力影响的理论研究和实验表明,管路水击压力随着管道流速的增大而增大；通过对管道数值计算结果的分析发现,管道振幅与流体流速成正比,在管道流速一定的条件下,管道特性参数的改变(包括管道径长比、厚径比等)将对管道振动幅值产生较大影响。