基于流固互动(FSI)模型的液压水击振动响应分析

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式中： ｚ表示 管道轴 向方 向， 为流体沿 管道轴 线方 向平均流速 ， ｆ Ｉ 为流体平均 密度 ， Ｄ Ｐ为流 体瞬时
了简化 。本文采用同时考虑摩擦耦合和泊松耦合的非
简化 ４方 程模型 。 ． 流体 ：
收稿 Ｆ期 ：０ ５１—８ ｔ ２ ０ —０１
经典水击振动模型认为流体的水击过程是等温过 程 。管道为水平 、 等截面圆管道 ， 薄壁 ， 线弹性 ， 各向同 性 。管道流体 中无空泡现象发生， 水击主要 由流体 的 惯性力产生 ， 流体的黏性摩擦忽略不计［ 。由于经典
动以及管道振动为一体 的波流振动系统。３种具有不 同特性的运动形式 间的相互作用称为输液管道流体结 构互动（ ｓ ） Ｆ Ｉ。由于水击造成的 冲击压力可 达到很高
在水击过程 中， 不仅流体产生压缩和振动 ， 还将引 起管道振动， 管道的振动反 过来又会影响流体运动状 态的改变 ， 即管道与流体间存在耦合振动 ， 采用 目前广
ＹＡＮＧ ｈ ｏ 一，ＹＩＭ ｅ ｇ ｌ Ｃ ａ ｎ —ｉ ｎ
（ ．华中科技大学 机械科学与工程学院 ， １ 湖北 武汉
４０ ７ ； ． ３ ０ ４ ２ 华东交通大学 机 电工程学 院 ， 江西 南 昌
３０ １ ） ３ ０ ３
摘
要： 利用流 固互动（Ｓ ）一 Ｆ Ｉ４方程模型对一典型液压 系统的轴向水击振动响应进行 了研 究， 该模型考
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２０ ０ ６年第 ８ 期
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的突变将会引起管道非 定常流 的一 种极端形式——
“ 水击”或“ （ 水锤 ” ， ） 突然变化的压力 以压力波的形式
方法的发展 ， 目前较精确 的水击振动模 型是考虑 了流 体与结构之间耦合作用 （ Ｓ） Ｆ Ｉ的模型。
１２ Ｆ Ｉ 本振 动方 程 ． Ｓ 基
沿管道传播 ， 同时激起 管道 的强烈振动。这一振动又 影响压力波动和流体的流动 ， 形成流体的瞬变流动 、 波
虑了摩擦耦合和泊松耦合 。采用特征线法对该模型进行变换 ， 得到 了简洁的数学模型表达式 ， 进行 了仿真计 算 。仿真 结果 与 实验 结 果基 本一 致 ， 对误 差 小 于 １０ ％ ， 与 Ｌ ｖｏ 模 型 的仿 真 结 果进 行 了比较 ， 明 相 ．３ 并 ａｏｉ ｊ 证 了数学模型和仿真算法是有效的。在此基础上 ， 出了水击压力与液体流速的关 系式， 给 发现水击压 力随管材 泊松 比的增大而减小， 随管道壁厚的增加而增 大。文 中所介绍的方法既可以指导液压 系统管道的设计 ， 还可 以推 广应 用于 其他 输 液 管道 的水击 振动研 究与分 析 。
影响因素对预防和减少水击 的发生 ， 在众多工业领 域 中具 有重 要意 义 。
有弯管的直管 中， 流体和管道在轴向的运 动与它们在 径向的振动不存在耦合 ， 故本文不考 虑流体和管道在 径向的振动。有两位中国学者在研究输液直管轴向的 耦合振动时采用了 ４方程模 型 一位外国学者在研 一 ６， 究带弯管的输液管道的耦合振动时采用 了 １一 ４ 方程模
作者简介 ： 杨超 （９ ）男 ， 南光 山人 ， １６ ， 河 副教 授 ， 博士研究
生， 主要从 事输 液管道系统的振动研究工作 。
水击振动模型忽略因素过多 ， 计算结果存在很大误差 ，
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ｌ ｐ 一 ａ泛使用 的流固耦合振动模型的建模方式 。Ａ， ． ｉ— Ｓ Ｔｊ ｓ
ｓｌｇＡ． ｅｉ ， Ｅ．Ｖａｄ ｎ ｎ ｒｙａｄＤ，Ｖａ ｎ的研 究 表 明【ｌ在 没 ５，
的数值 ， 轻者影响系统正常工作 ， 重者使管道损坏 ， 直 接威胁系统的稳定和安全运行 ， 当系统压力较高 、 流速 较大时影 响更为严重。因此 ， 研究水击振动机理及其
关键词 ： 水击 ； 振动 响应 ；液压 系统 ；流 固互动 ； 征 线法 特 中图分 类 号 ： Ｈ１７ 文献标 识 码 ： 文章编 号 ：０ ０４５ （０ ６０ —０ ５０ Ｔ ３ Ｂ １０ —８８ ２０ ）８０ １—３
引言
在液压系统 中， 当阀换 向或关闭时 ， 液流流动状态
不能满足工程需要 ， 人们对该模型进行 了发展 ， 考虑了 流体与管壁之 间的黏性摩 擦【 ４ ２ Ｊ － 。随着研究手段 和
在通常的处理过程中， 流体常常被 当作不可压缩 流体来处理 ， 但是在水击过程 中， 由于流体压能的瞬时
变化 ， 流体 的压缩性和管道的弹性变形都必须考虑。 １ 振动 基本 方程
１ １ 经典 水击振 动 方程 ．
型 ， 但是在他们的模型 中， 描述直管轴 向耦合振动
的方程里均忽略了摩擦耦合的影响 ， 而且对模型进行
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２０ ０ ６年第 ８期
液压 与气动
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基 于流 固互 动 （ Ｓ ） 型 的液 压 水 击 振 动 响应 分 析 Ｆ Ｉ模
杨 超 １ 。易孟 林 － －
Ａｎ ｌ ｓｓｏ ｄ ａ ｌ — ｔ ｒ ａ ａｙ ｉ ｆＨｙ ｒ ｕ ｉ ｗａ ｅ ｈ ｍｍｅ ｎ ｕ ｅ ｉｌ ｂ ａ ｉ ｎ ｃ ｒ Ｉ ｄ ｃ ｄ Ａｘ ａ Ｖｉ ｒ ｔ ｏ Ｒｅ ｐ ｎ ｅ Ｂ ｓ ｄ ｏ Ｓ ｏ ｅ ｓ ｏ ｓ ａ ｅ ｎ Ｆ ＩＭ ｄ ｌ