管道流體雙向流固耦合的動力學(xué)模擬分析

潘海麗 張亞新

【摘要】新疆某石化公司的10-K-302C離心式甲烷制冷壓縮機自2009年9月開機以來，潤滑油管線振動位移一直較大。為了分析潤滑油是否是造成管道振動的因素，采用Ansys Workbench有限元軟件模擬了管道內(nèi)潤滑油耦合前后的動力特性，分析了潤滑油在耦合前后的壓力、速度變化情況，得到流體速度在彎管處變化過大產(chǎn)生了較大的沖量對管道位移過大有著重要影響。

【關(guān)鍵詞】輸油管道 workbench 雙向流固耦合 流體動力學(xué)

1 引言

流體動力學(xué)是研究流體平衡的條件及壓強分布、流體運動規(guī)律、以及流體與固體之間的相互作用等，研究結(jié)果對分析管道的振動及影響因素有重要意義。本文針對新疆某石化公司的10-K-302C離心式甲烷制冷壓縮機自開機以來潤滑油管線振動較大的問題，通過對管內(nèi)流體流動狀態(tài)進行模擬分析，得出了流體耦合前后動力特性的變化及管道振動的原因。

2 雙向流固耦合分析原理

流固耦合要遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒，所以在流固耦合交界面處，應(yīng)滿足流體域固體應(yīng)力（σ）、位移（d）、溫度（T）、熱流量（q）等變量的相等或守恒，即滿足下面四個方程：

σ分別為液體、固體應(yīng)力。

3 流體和管道的計算模型

就10-K-302C離心式甲烷制冷壓縮機裝置的潤滑油管線位移較大現(xiàn)象，通過分析潤滑油耦合前后的動力學(xué)特性，找出流體運動特性，對尋找該管道振動原因有重要指導(dǎo)作用。出口管道的管路圖如圖1：選取潤滑油在彎管中心軸線處的1、、2、、3、、4、點，及在出口處5、為觀測點。

圖3 耦合后潤滑油速度流線圖

耦合前后潤滑油與管道接觸壁面的壓力云圖4和圖5。絕對壓力均在入口處較大，彎頭處較其連接處的直管壓力較大。耦合前潤滑油壁面的最大絕對壓力為772KPa，最小絕對壓力為759.9KPa，壓力波動值為1.58%，壓力波動較小。流固耦合后接觸壁面的壓力大小和分布與耦合前幾乎相同。圖5 耦合后潤滑油壁面絕對壓力

4.2 耦合前后流體觀測點隨時間的變化對比

觀察觀測點在耦合前后軸向速度和壓力隨時間變化曲線（圖6、7）。從圖6、7可以看出，潤滑油在耦合前后各個彎頭處的測試點的速度相差較大，同時達到穩(wěn)定的時間不同；耦合前測試點3、4、達到穩(wěn)定時間較長，出口處的穩(wěn)定速度較入口變大；耦合后2、、3、、4、速度波動較大且要達到穩(wěn)定的時間比較長；耦合前后彎管處的1、、2、、3、、4、的壓力同時達到了最值；耦合后除了初始階段壓力值波動較大外，穩(wěn)定時間和穩(wěn)定值都一樣。