管道流固耦合振动的行波方法研究

【摘要】：载流管道的流固耦合研究有着广泛的工程背景和重要的理论和学术价值。本文以管道系统为研究对象,考虑流固耦合的影响,基于管道振动波是一种传播波的思想,采用行波方法分别研究了载流直管和曲管管道系统的动力学特性。 对均匀的直管道,依据经典的管道流固耦合微分方程,推导了流固耦合管道系统的波导方程,通过结构节点处的边界条件建立了流固耦合系统的波散射模型。数值结果与已有成果的比较表明,行波法的计算结果是正确的,而且精度远远高于有限元法。在此基础上讨论了管道的泊松比以及边界连接条件等因素对管道固有特性的影响,以及液体平均流速对管道稳定性的影响,并探讨了采用支撑对管道振动进行控制的思路。 在直管道研究的基础上,本文提出两种方法研究弯曲管道的动力学特性。一种方法是采用曲管单元离散化,并对离散后的短直管引入弯曲刚度修正引子,同时建立平面坐标转换矩阵,从而实现了直管—弯管行波混合建模。另外一种方法是对弯曲管道直接行波建模,依据弯曲梁结构的动力学微分方程,以及流体振动微分方程,推导了弯管的流固耦合波导方程。第二种方法更加简洁、方便,极大地降低了弯曲管道振动问题的复杂性。 最后,为了验证本文所述行波法的可行性,对一多跨直管道进行了实验研究。研究表明,行波数值模拟结果与实验结果吻合良好,并且计算精度优于有限元法,这证明行波法是研究管道流固耦合问题的有效方法,也说明本文所建立管道行波模型的正确性。