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输流管道流固耦合振动特性分析

曹亮  
【摘要】:在管道有压流动的过程中,由于控制系统的操作,导致流体运动状态发生突变,诱发出水力暂态过程,严重时产生称作水锤的极端水力现象。对于大多数弱约束的工业管道来说,水锤将会诱发管道的自激振动,而管道的振动又会引起新的水力暂态过程,从而构成流体流动、压力波动及管道振动等多种运动形式的耦合。这种耦合作用称为流体结构相互作用,简称流固耦合。 众所周知,管道系统在众多的工业领域中都具有十分广泛的应用,发挥着极其重要的作用。而流固耦合将会引起系统振荡,降低系统运行的可靠性,恶化工作环境,影响仪器仪表的精度,严重时甚至使管道爆裂。因此,研究输流管道系统中的流固耦合现象对于了解系统的力学特性、稳定系统运行、提高运行可靠度等方面具有重要的实用及学术价值,在航空航天、石油化工、水利电力、城市供排水等众多的工业领域中具有重要的意义。 本文对输流管道系统的流固耦合现象进行了分析研究,并对直管系统及弯管系统进行了模态分析。具体工作包括以下几个方面: 1.总结推导了输流管道轴向及横向振动的线性微分方程。可以看出,讨论时假设系统的轴向运动和横向运动是分离的,流固耦合作用是通过流体与结构之间的边界接触来实现的。 2.基于输流管道轴向及横向振动的微分方程,考虑流体与管道之间的泊松耦合,详细推导出了输流直管的轴向及横向振动的传递矩阵;同时采用中线不可伸长理论的离散模型,将弯管离散为一组首尾相连,成一定角度的短直管单元,通过力的平衡方程和连续性方程,建立了弯管平面内振动的传递矩阵。 3.对于实际的管道中常见边界条件的计算处理方法进行了讨论,建立了一套采用传递矩阵法对管道进行模态频率、模态振型以及频域响应计算的方法。对输流直管、输流弯管进行了模态分析,并与相关文献及ANSYS有限元分析软件的计算结果进行了比较,验证了所建传递矩阵的正确性,并讨论了流固耦合作用对系统特性的影响。结果表明,流固耦合作用对系统模态频率的影响较大,对系统模态振型的影响较小。


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