输流管路流固耦合计算研究

摘要

流固耦合是输流管路系统在使用时必然会产生的一种现象。考虑流固耦合作用，对于求解输流管路系统振动特性非常重要。可以说输流管路流固耦合计算相关研究内容是管路系统优化设计的一个重要环节，也是船舶与海洋工业、水利水电工业、石油化工能源工业等相关工程领域中的一个热点问题。
　　本文首先主要针对不同的输流管路系统建立了两种不同的流固耦合模型——14方程梁模型和8方程薄壳模型。对于梁模型，采用Timoshenko梁理论建立数理模型，利用拉氏变换得到其场传递矩阵，并在此基础上，利用Magnus级数法求解任意变截面轴对称管路元件的场传递矩阵；采用Goldenveizer-Novozhilov薄壳理论建立薄壳模型，通过分离变量法和波分解法，并结合边界条件将其轴向进行解析，从而得到其周向场传递矩阵；结合两种模型场传递矩阵的共同特点，引入了精细积分法，详细解释了其两参数的自适应性，并对场传递矩阵进行编程求解，利用两个算例对比验证了本文模型及算法的准确性和高效性。
　　其次，基于理论模型利用无量纲法研究了多个无量纲参数对于管路系统稳定性、低阶固有特性以及响应特性的影响，得到了一些管路结构振动的基本规律，为深入研究管路结构振动以及工程实践提供了具有参考价值的结论。当长径比和厚径比保持不变时，系统固有频率与管路结构参数无关，但无量纲振幅随结构参数的增大而减小。当长径比保持不变时，系统固有频率随着厚径比的增加而减少，而无量纲振幅随着厚径比的增加先减小而后保持不变。当厚径比保持不变时，系统固有频率随着长径比的增加而增加，而无量纲振幅随着厚径比的增加先增加而后保持不变。而且长径比对管路系统振动特性的影响要大于厚径比。管路系统固有频率随着流体结构参数的增加而减小，而振幅不随之变化。此外，管路系统无量纲振动特性与结构流体参数比没有关系。最后，结合实际管路系统，实验验证了本文模型以及算法在计算复杂管路系统中的可行性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1输流管路流固耦合的研究背景与意义

1.2输流管路流固耦合计算方法

1.3国内外研究现状

1.4本文的主要工作内容

第2章 输流管路流固耦合模型

2.1基于梁模型的直管路流固耦合方程

2.2基于薄壳模型的直管流固耦合方程

2.3本章小结

第3章 输流管路系统流固耦合动力学算法研究

3.1简单管路元件的传递矩阵的推导

3.2基于精细积分法的输流管路传递矩阵数值解法

3.3输流管路不同边界的传递矩阵

3.4输流管路系统流固耦合整体传递矩阵

3.5本章小结

第4章 输流管路振动特性影响因素研究

4.1引言

4.2管路结构参数的影响

4.3管路结构无量纲参数的影响

4.4管内流体无量纲参数的影响

4.5管路结构与流体参数比对输流管路系统振动特性的影响

4.6本章小结

第5章 复杂管路系统仿真与试验研究

5.1引言

5.2平面管路系统仿真验证

5.3空间三维管路系统仿真

5.4复杂管路系统实验研究

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢