充液管道水体振动分析及CAE技术的开发应用

摘要

充液管道的流固耦合研究有着广泛的工程背景和重要的理论学术价值。本文在解决三峡大坝引水管道系统在小开度情况下出现的、可能由水体共振引起的异常振动问题的基础上，总结了对水体部分所进行的相关振动频率的基础研究。利用先进的CAE仿真技术，模拟计算了一些可能影响充液管道内水体的固有频率因素，并总结了各因素的影响规律。本文研究所得出的方法和结论可为输液管道工程的设计部门提供参考。 本文的研究内容和结果主要如下： 1. MSC系列仿真软件的二次开发。充分利用MSC.Patran自带的PCL语言实现参数化建模、用户与数据交互、菜单设计等功能的自主开发。实现手工操作难以完成的建模要求，提高建模速度；利用FORTRAN语言编程自定义子程序，可为水体共振数值模拟提供流体非定常压强边界条件，完善了MSC.Dytran软件功能。 2. 弯管液固耦合控制方程的推导。在基于环状坐标系的情况下，从流体的连续性方程，微分控制方程以及管壁薄壳运动微分方程出发，将Walker与Phillips建立的直管液固耦合六方程模型推广到弯曲管道，建立弯管液固耦合情况下的六方程模型。从理论上证明了水体固有频率随着管道弯曲度的增大而增加。 3. 充液管道液固耦合振动CAE研究。针对三峡引水管道的实际情况，对管壁的约束条件、管道出口的不同开度、弯曲管道等情况进行数值模拟计算，找出影响水体固有频率的规律。经计算，发现管壁约束越强、出口开度越大、弯曲度越大，水体固有频率也越大。在相同的其他条件下，充液管道泊松耦合越强(即径向位移大)，水体固有频率越小。