典型输流管路结构流固耦合振动分析研究

摘要

管道输送作为安全、经济、高效的流体输送系统，广泛应用于现代工业的众多领域及日常生活中。输流管道系统在运行过程中，管内流体流经管道时，由于管道结构变化、管径变化和阀门等的影响而强制改变了流体流动，进而诱发管道振动，严重时甚至因泄漏等问题而引发灾难性后果。为了提高管道系统运行的可靠性，需要研究输流管道系统振动特性，在理论上分析流体与管道耦合振动机理，在工程上则寻找管道系统隔振、减振新方法。基于上述需求，本文主要围绕输流管道的流固耦合振动特性开展数值模拟和实验研究，分析耦合振动机理并验证流固耦合计算方法，为输流管路振动分析和控制的工程问题提供理论和技术支撑。 首先简要介绍了本论文采用的流固耦合分析理论基础、计算平台及数值计算方法。给出了管路结构流固耦合数值模拟建模及管路约束条件的确定方法。 设计并搭建了水槽-管道-阀门-水槽(RPVR)实验系统，对RPVR系统输送液体介质时诱发的管道流固耦合振动特性进行实验研究。对应于RPVR实验系统的管路结构，进行典型管路结构的三维流固耦合数值模拟，流固耦合计算结果与实验结果吻合较好，验证了三维流固耦合建模和计算方法的可行性。 针对典型分流管路输送气态介质时的耦合振动特性研究，设计并搭建了空压机-储气罐-减压阀-软管-流量计(CAVFF)实验系统，对两种分流管路系统诱发的耦合振动现象进行研究。分别采用管路结构模态分析和三维流固耦合数值模拟方法进行CAVFF典型管路结构振动特性研究。结果显示，结构模态分析因未考虑流体与管道壁面之间的耦合作用而存在较大的误差，只适用于粗略地估算结构的固有频率。输送气体和输送液体条件类似，典型管路结构的流固耦合计算结果与实验结果具有较好的一致性。 本文针对典型管道结构的流固耦合分析、结构模态分析和实验的结果表明，三通、T型管等典型管路结构振动的流固耦合效应显著。在工程应用过程中，管路系统振动特性分析可用结构模态分析进行粗略计算，而流固耦合方法进行高精度分析则更适合于复杂管路结构的振动特性及振动机理研究。

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