基于Workbench的管道流固耦合模態(tài)分析

鄭瑞+董山東

摘 要：本文對管道進行流固耦合模態(tài)分析，研究了管道長度、管道形狀及管道材料對其固有頻率的影響。結(jié)果表明，流固耦合作用能降低管道的固有頻率；隨著管道長度的增加，管道的固有頻率逐漸減??；波紋管的固有頻率值最?。?061鋁合金管的固有頻率值要大于紫銅管。本文的研究對于提高制冷管道運行的可靠性具有重要的理論意義。

關(guān)鍵詞：管道；流固耦合；數(shù)值分析；固有頻率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.021

1 前言

流固耦合作用是引起管道振動的主要原因，這種管道壁與管道內(nèi)流體的相互作用對管道的動力學(xué)特性有著直接的影響。Olson[1]等采用梁單元計算管道流固耦合問題。王世忠[2]等利用反對稱矩陣方法對輸液管道進行流固耦合分析。為了能更好的反映流固耦合作用對管道的動力學(xué)特性的影響，本文采用管道的簡化模型，研究了管道長度、形狀及管材料對管道的動力學(xué)特性的影響，本文的研究對于提高管道運行的可靠性具有重要的理論意義。

2 制冷管道數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 管道流固耦合分析數(shù)學(xué)模型

本文采用單向耦合法在Workbench中對管道內(nèi)部流場及結(jié)構(gòu)場進行分析。

單向流固耦合的理論基礎(chǔ)[3]：

（1）流體流動要遵循的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。

3 仿真分析

3.1 管道長度對管道固有頻率的影響

將簡化后的管道模型長度分別取值為240mm、300mm、360mm、420mm和480mm五組不同數(shù)據(jù)，分別分析管道在有無流固耦合作用的兩種狀態(tài)下固有頻率的變化，結(jié)果表明，隨著管道長度的增加，其固有頻率逐漸減小。在管道的設(shè)計中，應(yīng)選擇合適的長度。通過對比有無流固耦合作用對管道的固有頻率的影響時發(fā)現(xiàn)，流固耦合作用能降低管道的固有頻率值，但對其模態(tài)振型和各階固有頻率有不同程度的影響，但影響程度均較小。

3.2 管道形狀對制冷管道固有頻率的影響

選取長度為240mm的三種不同形狀的管道：光滑管、波紋管和內(nèi)螺紋管。通過改變內(nèi)螺紋管的螺距和圈數(shù)，觀察其在流固耦合作用下的固有頻率的變化情況。內(nèi)螺紋管1：螺距5mm，圈數(shù)40；內(nèi)螺紋管2：螺距3mm，圈數(shù)66；螺距2mm，圈數(shù)100。

結(jié)果表明，波紋管的固有頻率最小，其余管型的固有頻率分布較密集，其值略有差別，并隨著階數(shù)的變化，固有頻率的差值逐漸增大。在三種內(nèi)螺紋管中，隨著內(nèi)螺紋圈數(shù)的增多，固有頻率逐漸減小。

3.3 管道材料對管道固有頻率的影響

管道常用是材料有：紫銅和鋁合金。本文以6061鋁合金為例，分析比較兩種不同材料的管道在流固耦合狀態(tài)下的固有頻率。

結(jié)果表明，6061鋁合金管的固有頻率值要大于紫銅管的固有頻率值。

4 結(jié)語

（1）流固耦合作用能降低管道的固有頻率值，但對其模態(tài)振型及各階固有頻率的影響均較小。管道長度的增加能有效的減小管道的固有頻率，但隨著管道長度增加的同時，管道的變形也會增加。變形的增大會引起管道的破損，故在管道長度的選擇上要兩者兼顧取最優(yōu)值。

（2）管道長度、形狀和材料的選取要綜合考慮工藝性和經(jīng)濟型。波紋管及內(nèi)螺紋管的制作工藝要比光滑管復(fù)雜，勢必會增加額外費用。鋁合金與紫銅管相比，價格較低，但其柔性不如紫銅管。

參考文獻：

[1]Olson LG，Jamison D.Application of a general purpose finite element method to elastic pipes conveying fluid[J].Journal of Fluids and structures，1997，11（02）：2.

[2]王世忠，王茹.三維管道固液耦合振動分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1992，24（04）：43-49.

[3]宋學(xué)官，蔡林，張華.ANSYS流固耦合分析與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2012：3-4.