外部流体作用下管道输送流固耦合效应偏移分析
流固耦合现象的力学分析
流固耦合现象的力学分析流固耦合现象是指在流体与固体互相作用下产生的力学现象。
它在许多实际问题中都扮演着重要的角色，例如河流冲刷、风力发电机叶片受到的风压力、飞机机翼与空气的相互作用等。
在物理学中，我们可以通过一系列定律来分析流固耦合现象，并通过实验来验证我们的理论。
首先，流固耦合现象的分析离不开连续介质力学定律。
连续介质力学是物质运动的宏观力学理论，它假设物质是连续的，并考虑了宏观尺度上的平均效应。
其中最基本的定律是质量守恒定律和动量守恒定律。
质量守恒定律指出，在任何物理过程中，质量是守恒的。
具体到流固耦合现象中，我们可以通过实验来验证这一定律。
例如，我们可以设计一个容器，将含有某种流体的管道与固体结构相连接。
通过流体在管道中的流动，我们可以测量流体的质量，并与实验前后的质量进行比较。
如果质量守恒定律正确，那么我们应该得到相同的结果。
动量守恒定律则描述了物体上力的作用和物体运动之间的关系。
在流固耦合现象中，我们需要考虑流体和固体之间的相互作用力。
在实验中，我们可以通过建立一个闭合系统来验证动量守恒定律。
具体来说，我们可以设计一个装置，其中一个部分是由流体构成的，另一个部分是由固体构成的。
通过观察流体和固体之间的相互作用力，我们可以验证动量守恒定律是否成立。
除了连续介质力学定律，流固耦合现象的分析还需要考虑流体力学和固体力学的相关定律。
在流体力学中，纳维-斯托克斯方程是最基本的定律之一。
该方程描述了流体在不同条件下的运动。
我们可以通过使用带有适当边界条件的纳维-斯托克斯方程来分析流固耦合现象。
例如，我们可以考虑一个水流经过一个固体结构的情况。
我们可以通过实验来观察水流的流速和固体结构上的压力分布，并将这些观察结果与纳维-斯托克斯方程的解进行比较，以验证该定律的准确性。
在固体力学中，弹性力学定律是重要的分析工具。
弹性力学定律描述了固体在受到外力作用下的变形行为。
对于流固耦合现象，我们需要考虑固体结构受到流体力作用引起的变形。
管道系统的流固耦合振动分析与振动控制
管道系统的流固耦合振动分析与振动控制管道系统中的流固耦合振动是一种常见的动力学现象，对于系统的安全性和可靠性具有重要影响。
因此，对管道系统的流固耦合振动进行分析和控制是非常必要的。
本文将介绍管道系统的流固耦合振动的基本原理、分析方法和振动控制技术，并分析其在实际应用中的一些问题和挑战。
一、流固耦合振动的基本原理管道系统的流固耦合振动是指在流体通过管道时，由于流体与管道壁之间的相互作用，产生的流固耦合振动。
其基本原理可以通过流体力学和结构力学的分析来解释。
在流体力学方面，流体在管道中流动时会产生压力波动，这些波动会传播到整个管道系统中，引起管道壁的振动。
而在结构力学方面，管道壁的振动会引起流体内部的压力波动，形成一个闭环的流固耦合振动系统。
二、流固耦合振动的分析方法为了对管道系统的流固耦合振动进行准确的分析，可以采用两种主要的方法：数值模拟和实验测试。
1. 数值模拟方法数值模拟方法是通过数学建模和计算机仿真来模拟管道系统的流固耦合振动。
其中，计算流体力学（CFD）方法可以用来模拟流体流动，有限元法（FEM）可用于模拟管道振动。
通过将这两种方法耦合起来，可以得到较为准确的流固耦合振动特性。
2. 实验测试方法实验测试方法是通过搭建实验平台来进行流固耦合振动的测试。
通过在实验平台上设置不同的工况和参数，可以获取管道系统的振动响应。
常用的测试方法包括压力传感器、加速度传感器等。
通过实验测试，可以获取系统的振动特性，并验证数值模拟结果的准确性。
三、振动控制技术为了降低管道系统的流固耦合振动，需要采取一些有效的控制手段。
目前常用的振动控制技术有两种：被动控制和主动控制。
1. 被动控制技术被动控制技术主要包括减振器和阻尼材料的应用。
减振器可以通过改变系统的固有频率或阻尼特性来吸收振动能量，从而减小振动幅值。
阻尼材料可以通过吸收或传导振动能量来减小系统的振动响应。
2. 主动控制技术主动控制技术则是通过在系统中添加控制器和执行器来主动调节系统的振动响应。
流固耦合关系的主要研究内容
流固耦合关系的主要研究内容一、流固耦合关系的定义流固耦合关系是指流体与固体之间相互作用、相互影响的物理现象。
在这种关系中，流体的运动会对固体产生力和压力，而固体的形状和结构则会对流体的运动产生阻力和影响。
具体而言，流体的运动会改变固体的形变和应力分布，而固体的形变又会影响流体的流动特性。
二、流固耦合关系的研究方法研究流固耦合关系的方法主要分为实验方法和数值模拟方法。
实验方法可以通过物理模型或实际系统进行观测和测量，以获得流体和固体之间的相互作用参数。
数值模拟方法则通过建立数学模型，利用计算机进行数值计算和仿真，来模拟流体和固体之间的相互作用过程。
常用的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法、边界元法等。
三、流固耦合关系在不同领域的应用1. 工程领域：流固耦合关系在工程领域中有广泛的应用。
例如，在航空航天领域，研究飞机在飞行过程中空气流动对机翼和机身的影响，以提高飞机的稳定性和飞行性能。
在建筑工程中，研究风场对建筑物的风压和风振效应，以确保建筑物的结构安全可靠。
2. 生物医学领域：流固耦合关系在生物医学领域中也有重要的应用。
例如，在血液循环系统中，研究血液流动对血管壁的剪切力和应力分布的影响，有助于了解心血管疾病的发生机制和预防措施的制定。
此外，研究呼吸系统中气流对肺泡的影响，有助于改善人工呼吸机的设计和使用。
3. 环境科学领域：流固耦合关系在环境科学领域中也有一定的应用。
例如，在水文学研究中，研究水流对土壤侵蚀和水质污染的影响，有助于制定水资源管理和环境保护政策。
此外，在气象学研究中，研究气流对大气污染物的扩散和传播的影响，有助于改善空气质量预测和污染治理措施。
四、总结流固耦合关系是流体与固体之间相互作用、相互影响的物理现象。
研究流固耦合关系的方法包括实验方法和数值模拟方法。
流固耦合关系在工程、生物医学和环境科学等领域中都有广泛的应用。
研究流固耦合关系可以帮助我们更好地理解和应用流体力学和固体力学的知识，从而推动相关领域的发展和进步。
流固耦合作用下固支输液管道有限元分析
Ｆｏ （ Ｆ 模 块 ； ｌｗ Ｃ Ｘ） ｂ ．在 Ｅ ｇ ｅｒ ｇＤ ｔ ｎ ｉ ｅｉ ａ ｎ ｎ ａ中设 置管道 材 料性 能
参数 ， 道规 格 为 ５ ｍ ×３ ２ ｍ， 长 ０ ５ 弹 管 ７ｍ ．ｍ 管 ． ｍ， 性模 量 ２ ０ Ｐ ， ０ Ｇ ａ 泊松 比 ０ ３ 密度 ７８０ ｇ ｍ ； ．， ０ ｋ／ ｃ ．建立 管 道 和 流 体 的几 何 模 型 ， 模 型 为 该
摩擦 耦合 、 泊松 耦 合 和结 合 部 耦 合 。泊 松 耦 合 是 流体 压力 与管壁 应力之 间 的一种 由局部相 互作 用 而导 致 的沿程耦 合 ， 因其耦 合 的强 烈程 度 与 管 材 的泊 松 比紧密 相 关 而 得 名 ， 泊松 耦 合 过 程 如 图 １
所 示 。
出版 社 ，０４ ２０． ［ ］ Ｔｊ ｅｎ ． ｌｄｓｕｔ ｅＩｔａｔｎｉ Ｌｑｉ Ｆ ｌ ３ ｉｓｌ ｇＡＳＦｕ —ｒｃ ｒ ｅ ｃｏ ｉ ｄ ｉｅ ｓ ｉ ｉ ｔ ｕ ｎ ｒ ｉ ｎ ｕ ｌｄ Ｐｐ ｙｔ ｓ ａＲ ｖ ｗ Ｊ ．ｏｒａ ｏ ＦｕｄａｄＳ ｕ— ｉ Ｓｓ ｍ ： ｅｉ ［］Ｊｕｎｌ ｆ ｌ ｎ ｔ ｃ ｅ ｅ ｅ ｉ ｒ
［ ． 京： Ｍ］北 国防 工业 出版社 ， １． ２０ ０
［ ］ 刘 志远 ， 源 ． Ｎ Ｙ －Ｆ 单 向 耦 合 分 析 方 法 ［］ 水 ６ 郑 Ａ Ｓ ＳＣ Ｘ Ｊ．
产
利 水 电工程 设计 ， ０ ，８ ２ ： ３ ． ２ ９２ （ ）２ ０ ９～ １ （ 稿 日期 ：０ １０ — 修 回 日期 ：０ ２Ｏ ４ 收 ２ １—１１ ４， ２ １ 一１ ）
步 变形 。 用 Ａ Ｓ ＳＣ Ｘ耦 合 方 法 分 析 在 ２ ／ Ｎ Ｙ ．Ｆ ｍ ｓ流 速
基于ANSYS的输流管道流固耦合特性分析_喻萌
中 国 舰 船 研 究 ChineseJournalofShipResearch
Vol.2 No.5 Oct.200 7
基于 ANSYS的输流管道流固耦合特性分析
喻 萌
中国舰船研究设计中心 , 湖北 武汉 430064
摘 要 :应用有限元分析软件 ANSYS对输流管道在不同约束条件下进行流固 耦合动力 学模拟计算 和模态分
3.4
62.1
5.5
0.005 -0.894E6 0.829E-5 0.635E7 -0.923E6 0.229E-5 0.601E7
3.2
72.4
5.4
0.006 -0.108E7 0.234E-5 0.706E7 -0.105E7 0.219E-5 0.674E7 -2.7
6.4
4.5
0.007 -0.268E6 0.578E-6 0.174E7 -0.233E6 0.838E-6 0.160E7 -13.1 -45.0
∑ ∑ ∑ ∑ G = Ge = Gi αβ , H = He = Hα
其中 , Ae为质 量矩阵 ;Be为对流矩阵 ;Ce为压力 矩阵 ;De为耗损矩 阵 ;Fe为 体积力矩阵 ;Ge为连 续矩阵 ;He为边界速度矢量 ;{.δ.}、{·δ}、{δ}分别 为加速度 、速度 、结构应力列向量 ;[ M] 为质量矩 阵 ;[ K] 为刚度矩阵 ;[ C]为阻尼矩阵 。
AnalysisonCharicterasticsofFluid-structureInteractionfor FluidConveyingPipesbyANSYS
YuMeng ChinaShipDevelopmentandDesignCenter, Wuhan430064, China
管道输送流体的流动特性分析与优化设计
管道输送流体的流动特性分析与优化设计管道输送是工程中常见的一种输送方式，广泛应用于各种行业和领域。
无论是石油、天然气、还是水、气体等，管道输送流体都有其独特的流动特性。
本文将探讨管道输送流体的流动特性分析以及优化设计的相关问题。
一、流体的流动特性分析流体的流动特性与管道的几何形状、物理性质以及运动状态密切相关。
在分析管道输送流体的流动特性时，需考虑以下几个关键因素。
1. 流量特性：流体在管道中的流动速度与管道直径、输送介质性质、管道长度等因素有关。
通过流量特性的分析，可以确定合理的管道直径以及流量控制策略，从而实现流体的高效输送。
2. 压力特性：流体在管道中不可避免地会产生一定的压力损失。
关于压力特性的分析，主要涉及管道摩擦、管道弯头、阀门、收放器等元件的增阻和压力损失。
通过减小压力损失，可以提高整个管道系统的输送效率。
3. 热力特性：在一些特殊的输送过程中，流体会发生相变或温度变化，例如蒸汽输送和高温油品输送。
热力特性的分析考虑了输送介质的热传导、热损失以及介质与管道之间的热交换等问题。
合理的热力设计有助于减小能量损失，提高输送效果。
4. 流动稳定性：在某些情况下，流体在管道中的流动会发生剧烈的振荡和波动，这种不稳定的流动现象会增加管道输送的难度和危险。
通过对流动稳定性的分析，可以优化管道的设计以及增加稳定性调节装置，保证流体的平稳输送。
二、优化设计的方法与思路基于对管道输送流体流动特性的分析，优化设计是提高管道输送效率的关键。
以下是一些优化设计的方法与思路，仅供参考。
1. 合理选择管道材料和直径：根据输送介质的特性，如腐蚀性、粘稠度等，选择适宜的管道材料，如塑料、钢材等。
同时，根据流量特性进行合理的直径选择，避免因直径过小或过大导致的能量损失。
2. 减小管道摩擦和压力损失：通过优化管道的布置方式、减小弯头和阀门的数量、选择合适的管道材料等，减小管道的摩擦损失和压力损失，提高整个管道系统的能量利用率。
输流管道流_固耦合振动的固有频率分析
本文研究不同阶数 Galerkin方法 [ 15 ]离散后系统的 固有频率 ,与用复模态方法得到的各阶固有频率比较 , 验证不同截断阶数 Galerkin方法在输流管道振动分析 中的适用性 。
Λ ij
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
=
i2π2
0
i=j
i≠ j
j ( - 1) i+j - 1 + ( - 1) i- j - 1
B ij =
i+j
i- j
i≠ j
0
i=j
( i, j = 1, 2, …, N )
(9)
不考虑系统的阻尼 ,由式 ( 7)定义的陀螺系统的特征根
都为纯虚数 ,所以存在变换
ω 1
J
TTA T =
(5)
n =1
如果试函数也采用两端铰支静止梁的正弦模态函数 ,
则利用 N 阶 Galerkin截断得到
∑ ··
qn
- 2γρ
N
k
k = 1, k≠n
(-
1) n +k n +k
1
+ (-
1) n +k n- k
1
·
qk
-
ρ( v2 - 1) n2π2 qn +ρβ2 n4π4 qn = 0
( n = 1, 2, . . . , N )
(6)
可以把微分方程组写成矩阵形式
·
y = Sy
(7)
第 3期 杨晓东等 : 输流管道流 - 固耦合振动的固有频率分析
仿真笔记——流固耦合问题研究概述及几类典型应用
仿真笔记——流固耦合问题研究概述及几类典型应用一、流固耦合概述历史上，人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题。
Wright兄弟和其它航空先驱者都曾遇到过气动弹性问题。
直到1939年二战前夕，由于飞机工业的迅猛发展，大量出现的飞机气动弹性问题的需要，有一大批科学家和工程师投入这一问题的研究。
从而，气动弹性力学开始发展成为一门独立的力学分支。
如果将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮的话，则与风激振动及化工容器密切相关的研究可作为流固耦合研究的第二次高潮。
事实上，从美国ASME应用力学部召开的历次流固耦合研讨会上可以看出，流固耦合问题涉及到很多方面。
比如：空中爆炸及响应，噪声相互作用问题，气动弹性，水弹性问题，充液结构内的爆炸分析，管道中的水锤效应，充液容器的晃动及毛细流中血细胞的变形，沉浸结构的瞬态运动，流固相互冲击，板的颤振及流体引起的振动，圆柱由于热交换引起支持附件松动的非线性流固耦合系统，声音与结构的相互作用，涡流与结构的相互作用，机械工程中的机械气动弹性问题等等。
1. 流固耦合力学定义和特点流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的力学分支。
顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid-solid interaction)。
变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。
正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。
流固耦合问题可由其耦合方程来定义，这组方程的定义域同时有流体域与固体域，而未知变量含有描述流体现象的变量及描述固体现象的变量，一般而言，具有以下两点特征：•流体域或固体域均不可能单独地求解；•无法显式地消去描述流体运动的独立变量或描述固体运动的独立变量。
2. 流固耦合力学涉及领域及分类流固耦合问题涉及到很多方面。
流体流固耦合分析手册
5
第一章 计算流体力学概述
（3）
能量守恒方程。能量守恒属于经典的热力学定律。流体微团单位质量的能量 （由化学反应 即总能 E 包括内能 e 与动能 V ⋅ V 。合力所做的功、热传导、 等引起的）生成热都引起总能的变化。
1 2
1.3.1 预备知识 流体速度 u = (u1 , u2 , u3 ) ，u1 , u2 , u3 分别表示 x,y,z 方向上的速度分量。 ρ 是密度， p 是压强， T 是热力学温度。 若有过点 x = ( x1, x2 , x3 ) 的面积微元 dS ，单位法向量为 n 。 在 [t , t + dt ] 内沿 n 方向流过 dS 的流体体积为 u ⋅ ndSdt 在 [t , t + dt ] 内沿 n 方向流过 dS 的流体质量为 ρ u ⋅ ndSdt 在 [t , t + dt ] 内沿 n 方向流过 dS 的流体动量为 ρ u(u ⋅ n)dSdt =
下面用一个简单的例子来说明牛顿流体和非牛顿流体的差别。ADINA 的操作步骤参见 第二部分。
2
第一章 计算流体力学概述
例 1 分别考虑两个平行板间的牛顿流体和非牛顿流体，如下图所示，给出流体速度大小为 10m/s。
v
先考虑牛顿流体 流体参数为常参数模型，密度为 1 kg / m ，粘度为 0.04 N ⋅ s / m 2 。
流体流固耦合分析 手册
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第一章 计算流体力学概述
第一章 计算流体力学概述
1.1 计算流体力学概述
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称 CFD）是以计算机作为模拟手段， 运用一定的计算技术寻求流体力学各种复杂问题的离散化数值解的计算方法。 计算流体力学可以看作是对基本守恒方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方 程）控制下的流动过程进行数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内 的各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）分布，以及这些物理量随时间 的变化情况。 计算流体力学、理论流体力学、实验流体力学是流体力学研究工作的三种主要手段。理 论分析具有普遍性， 各种影响因素清晰可见、 为实验和计算研究提供依据。 对于非线性情况， 只有少数问题能给出解析解。 实验研究仍是研究工作的基石， 数值研究的许多方面都密切依 赖于实验研究提供数据； 计算结果需由实验验证； 观察实验现象分析实验数据以建立计算模 型等等。数值模拟是特殊意义下的实验，也称数值实验，它比起实验研究，经济效益极为显 著。三种手段既互相独立又相辅相成。 近年来，由于实际工程设计对于流体计算提出越来越高的要求，计算流体力学在明显 地突破传统的单纯流体的观念， 各种涉及到复杂物理现象的流体问题求解方法是计算流体力 学发展的主要趋势，这些复杂现象是涉及热传递、多物质流动、相变、流固耦合体系求解、 变边界（变流动区域） 、湍流模拟等等。 从工程角度看，流体力学研究的起因通常是基于对各种工程结构的设计需要，例如分 析飞机机翼在气流作用下随机摆动问题的目的，是要求流场计算结果要对机翼的非稳态振 动、强度特性提出明确的力学设计指标。因此可以说，对于相当多的流体计算问题，实际上 我们需要知道的是一个耦合力学系统的响应特性－流固耦合体系特性， 尽管这是一个更为复 杂的计算体系。流固耦合（Fluid-Structure Interaction，简称 FSI）计算方法的开发和应用是 目前工程计算流体力学发展的重点领域，也是计算流体力学指导工程设计的直接途径。 计算流体力学的发展和计算机硬件求解能力、工程设计需求高速增长密切相关，可以 肯定地说计算流体力学在未来的研究领域和工程领域， 都会越来越走向实用化， 越来越发挥 不可或缺的作用。
流固耦合分析(FSI)理论详解
流固耦合分析（FSI）流固耦合分析（FSI）是涉及流体和固体之间相互作用的问题研究，其理论包括了几个主要方面：流体力学、固体力学、耦合边界条件、求解器等。
以下是流固耦合分析的详细理论讲解，带有相关公式和尽量详细的说明。
一、流体力学1. 守恒定律质量守恒定律：$$ \frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0 $$动量守恒定律：$$ \rho \frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + \rho (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{u} = \nabla \cdot \tau + \mathbf{f} $$其中，$\rho$是流体密度，$\mathbf{u}$是流体速度，$\tau$是应力张量，$\mathbf{f}$是体力。
2. 纳维-斯托克斯方程$$ \rho \frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + \rho (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{u} = \nabla \cdot (-p\mathbf{I} + \tau) + \mathbf{f} $$其中，$p$是静压力，$\mathbf{I}$是单位张量。
3. 边界条件（1）速度边界条件：$\mathbf{u} = \mathbf{u}_b$，其中$\mathbf{u}_b$是边界上的速度。
（2）压力边界条件：$p = p_b$，其中$p_b$是边界上的压力。
4. 流体力学求解器常用的流体力学求解器有OpenFOAM、ANSYS Fluent等。
二、固体力学1. 力学基本方程$$ \tau = \sigma\cdot \mathbf{n} $$其中，$\tau$是表面上的接触力，$\sigma$是固体的应力张量，$\mathbf{n}$是表面的单位法向量。
深海采矿扬矿管道工作特性的流固耦合分析与综合评价研究
参考内容二
随着工业化的快速发展，大量的流体被用于各种工业生产过程中，而输流管 道作为传输流体的主要工具，其安全性与稳定性对工业生产具有重要意义。在输 流管道系统中，流固耦合振动现象是普遍存在的，它对管道的安全运行和稳定性 产生重要影响。因此，对输流管道流固耦合振动特性进行分析，对于预防和减少 管道事故，提高管道运行效率，具有重要的理论和实践价值。
管道系统中流固耦合机制尚不明确；（2）缺乏针对深海采矿扬矿管道工作 特性的综合评价方法。
研究方法
为了深入探讨深海采矿扬矿管道工作特性，本次演示采用流固耦合分析方法， 从理论和实验两个方面进行研究。首先，基于流体力学和固体力学的基本理论， 建立深海采矿扬矿管道的流固耦合模型；然后，利用数值计算方法对模型进行求 解，并设计实验进行验证。此外，本次演示还收集了大量实际工况数据，对模型 进行进一步优化和验证。
一、输流管道流固耦合振动的基 本概念
输流管道流固耦合振动是指管道内流体与管道壁之间的相互作用，导致管道 发生振动。这种振动不仅会对管道本身的结构产生影响，还会对管道内的流体产 生影响，反过来进一步影响管道的振动。这种相互影响、相互作用的物理现象， 即为输流管道的流固耦合振动。
二、输流管道流固耦合振动特性 的分析方法
感谢观看
深海采矿扬矿管道工作特性的 流固耦合分析与综合评价研究
01 引言
03 研究方法 05 结论
目录
02 文献综述 04 综合评价研究 06 参考内容
引言
随着海洋资源的日益枯竭，深海采矿作为一种新型的矿产资源开发方式，逐 渐引起了人们的。而在深海采矿过程中，扬矿管道的工作特性直接影响到整个采 矿系统的效率和安全性。因此，本次演示将针对深海采矿扬矿管道工作特性进行 流固耦合分析与综合评价研究，以期为提高深海采矿效率和安全性提供理论支持。
弯曲输流管道流固耦合流动特性研究
弯曲输流管道流固耦合流动特性研究
徐合力;蒋炎坤
【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》
【年(卷),期】2008(032)002
【摘要】以流固耦合理论为基础,对一段两端约束弯曲输流管道建立流体动力学模型及固体运动模型,利用FEA法对该管道系统流固耦合振动特性及弯管内流体流动特性进行了模拟计算和分析,结果表明:流体在管道弯曲处被迫改变方向时,将对管壁施以附加作用力,最大应力和应变发生在入口和出口处附近的上下部.由于管道的弹性作用,管道壁面又会反过来影响管内流体流动情况,两者之间存在复杂的耦合作用;弯管内侧壁附近能量损失较大,静压分布从0°～90°截面始终是外侧高于内侧,进口段湍动能较小、拐弯处较大,管道内流体流速在弯曲管道转角处相对较高.
【总页数】4页(P343-346)
【作者】徐合力;蒋炎坤
【作者单位】华中科技大学能源与动力工程学院,武汉,430074;武汉理工大学能源与动力工程学院,武汉,430063;华中科技大学能源与动力工程学院,武汉,430074【正文语种】中文
【中图分类】U671.915
【相关文献】
1.圆弧输流管道流固耦合力学特性分析 [J], 张毅鹏;侯建华;宋贝贝;王娇
2.简支梁输流管道流固耦合差分迭代算法研究与应用 [J], 侯祥林;王洁乐;孙红;王
瑞堂
3.弯曲输流管道流固耦合动力特性分析 [J], 俞树荣;马璐;余龙
4.基于ANSYS的输流管道流固耦合特性分析 [J], 喻萌
5.输流管道流固耦合振动研究 [J], 于家付;马廷霞;钟魁;王海兰;朱亚明;赵潇
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流体固体相互作用力学分析(流固耦合)
• 有限元法（FEM）
– 离散格式丰富 – 高阶导数离散精度高 – 低速粘性流动和非牛顿流求解精度高 – 擅长流固耦合、气动噪声等问题
• 有限体积法（FVM）
– 继承了FEM离散格式丰富的优点 – 比有限元简单的多 – 守恒性好 – 被大多CFD商软所采用
应用于 除粒子追踪模块（离散元）以外的 所有COMSOL模块
应用于COMSOL的 等离子体模块和半导体模块(V4.3b)
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
什么是流固耦合分析
• 流体的流动／压力 与 结构的变形 之间的相互作用 Fluid – Structure Interaction (FSI)
声固耦合分析接口
• 声波方程假设了零均值流动 • 内置声波和固体结构内弹性波的耦合 • 分析固体结构弹性波和多孔结构弹性
波（声波）的专用接口 • 支持热声效应
– 用户可自定义材料的可压缩系数 – 可仿真在任何流体中的声波传输 （本构可由用户定义）
Simulating inspires innovation
操作小结
• 指定流体区域和固体区域 • 流体固体像话作用界面自动
探测并自动设定 • 设定流体和结构的物理特性
和工况，不需要人工设定移 动网格
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
杂装配系统的运动
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
小变形弹性体单向流固耦合
• 小变形的弹性结构
– 流体力造成的应力分布 – 不需要移动网格 – 流体单向作用与结构 – 内置的仿真接口
水下管道的流固耦合响应分析与抗震设计
水下管道的流固耦合响应分析与抗震设计水下管道的流固耦合响应分析与抗震设计是一个关键的工程问题，涉及到水下管道的安全运行和抵御地震等自然灾害的能力。
本文将探讨水下管道的流固耦合响应分析方法以及抗震设计的原则与方法。
一、流固耦合响应分析方法在分析水下管道的流固耦合响应之前，首先需要确定管道的基本特性，包括管道的尺寸、材料特性以及流体特性等。
基于这些特性，可以采用有限元分析等方法，结合流体力学和固体力学的理论，进行流固耦合分析。
1. 流体力学分析流体力学分析主要用来确定管道内部流体的状态和性质。
在流体力学分析中，可以考虑流体的速度场、压力场以及流体的流动特性，如流速、涡流等。
通过建立流体力学模型，可以计算得到流体内部的压力分布和流速分布等参数。
2. 固体力学分析固体力学分析主要用来确定管道的结构响应和变形情况。
在固体力学分析中，可以考虑材料的弹性特性、刚度和强度等。
通过建立固体力学模型，可以计算得到管道的应力分布、变形情况以及固有频率等参数。
3. 流固耦合分析在流固耦合分析中，将流体力学和固体力学的模型相结合，考虑流体对固体的作用以及固体对流体的作用。
在这种分析中，需要将流体和固体的方程进行耦合，并利用迭代方法求解。
通过流固耦合分析，可以得到管道在流体作用下的响应情况，如管道的振动频率、位移响应以及应力分布等参数。
二、抗震设计的原则与方法针对水下管道的抗震设计，以下原则与方法应被考虑。
1. 地震特性分析首先，需要对区域内的地震特性进行分析，包括地震烈度、地震波谱等指标。
通过分析地震特性，可以确定设计地震参数，如峰值加速度和地震波周期等。
2. 动力特性分析在抗震设计中，需要考虑水下管道的动力特性，如振动频率和振动模态等。
通过分析动力特性，可以确定管道的固有频率，并参考这些参数进行设计。
3. 结构抗震设计针对水下管道的结构抗震设计，需要选择合适的抗震设计方法。
具体的设计方法可以根据管道的特点和环境条件来确定，如增加管道的抗震支座、增加管道的刚度和强度等。
输流管道流固耦合振动研究
输流管道流固耦合振动研究于家付;马廷霞;钟魁;王海兰;朱亚明;赵潇【摘要】管道系统的流固耦合振动问题一直以来都被称为“典型的动力学问题”,由于载流管道模型比较简单,相对于其他结构体,输流管道系统更容易设计与制造,方便实验研究.阐述了管道振动系统,推导了振动方程,提出输流管道减振的措施.【期刊名称】《重庆科技学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(017)001【总页数】3页(P85-86,91)【关键词】管道系统;振动;减振【作者】于家付;马廷霞;钟魁;王海兰;朱亚明;赵潇【作者单位】西南石油大学机电工程学院,成都610500;西南石油大学机电工程学院,成都610500;中铁八局第二集团有限公司检测中心,成都610000;西南石油大学机电工程学院,成都610500;西南石油大学机电工程学院,成都610500;西南石油大学机电工程学院,成都610500【正文语种】中文【中图分类】O353.1管道是一种最常见的载流装置，输流管道目前已经广泛应用于船舶、航空航天、水利电力、石油能源工业、化学工业、海洋工程、核工业、生物工程、城市排水工程等等。
研究表明，输流管道内流体的速度超过某一临界值时，就会引起管道振动。
这种现象主要是由于流体作用力与输流管道弹性体的变形力相互耦合而产生的一种不稳定动态［1］。
这种不稳定状态可以导致管道薄弱处产生破坏，严重时会导致管道断裂，给工业造成巨大的经济损失和严重的事故。
管道系统对国民经济及人们的生活都起着十分重要的作用。
1 管道振动系统研究管道振动的研究由于其物理以及几何形状等条件的复杂性，引起了国内外学者浓厚的兴趣。
目前对流固耦合振动的研究领域分布比较广，主要领域有数学建模理论、振动特性、动力学特性分析、能连传递以及实验技术和响应预估等。
在管道振动研究的初期，往往容易忽略管壁与流体之间的耦合作用;而对于响应分析，又缺乏对流固双向耦合效应，先是流体的响应，然后作为激励，才得以计算出管道结构的响应［2］。
流固耦合 - 基础知识
流固耦合概念流固耦合，是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用的一门科学。
它是流体力学(CFD) 与固体力学(CSM) 交叉而生成的一门力学分支，同时也是多学科或多物理场研究的一个重要分支。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。
变形或运动又反过来影响流体运动，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。
当你研究的问题，不仅涉及到了流场的分析，还涉及到了结构场的分析，而且二者之间存在着明显的相互作用的时候，你就考虑进行流固耦合分析。
流固耦合求解方法流固耦合问题分析根据流体域和固体域之间物理场耦合程度的不同，可分为强耦合和弱耦合，对应的求解方法分别为直接解法和分离解法。
直接解法通过将流场和结构场的控制方程耦合到同一方程矩阵中求解，即在同一求解器中同时求解流固控制方程，理论上非常先进，适用于大固体变形、生物隔膜运动等。
但在实际应用中，直接法很难将现有的计算流体动力学和计算固体力学技术真正结合到一起。
另外，考虑到同步求解的收敛难度以及耗时问题，直接解法目前主要应用于模拟分析热－结构耦合和电磁－结构耦合等简单问题中，对于流体－结构耦合只进行了一些非常简单的研究，还难以应用在实际工程问题中。
而弱流固耦合的分离解法是分别求解流体和固体的控制方程，通过流固耦合交界面进行数据传递。
该方法对计算机性能的需求大幅降低，可用来求解实际的大规模问题。
目前的商业软件中，流固耦合分析基本都采用分离解法。
ANSYS很早便开始进行流固耦合的研究和应用，目前ANSYS中的流固耦合分析算法和功能已相当成熟，可以通过或者不通过第三方软件（如MPCCI）实现ANSYS Mechanical APDL + CFX、ANSYS Mechanical APDL + FLUENT、ANSYS Mechanical + CFX 的流固耦合分析。
两端固支输流管道流固耦合振动的稳定性分析_李宝辉
两端固支输流管道流固耦合振动的稳定性分析*李宝辉高行山刘永寿岳珠峰（西北工业大学工程力学系，西安710129）The stability analysis of liquid-filled pipes with fixed bearing at both ends under FSI vibrationLI Bao-hui ，GAO Hang-shan ，LIU Yong-shou ，YUE Zhu-feng （Northwestern Polytechnical University ，Xi ’an 710129，China ）文章编号：1001-3997（2010）02-0105-03【摘要】根据Hamilton 变分原理，建立了两端固支管道流固耦合振动的控制方程，用幂级数近似管道的振型函数，求得了方程的解析解，推导了管道固有频率、临界流速、临界压力的计算方法。
最后，应用本文推导的计算方法，对一段典型飞机发动机输油管道进行了计算分析，研究了前两阶固有频率，临界流速、临界压力与流体压力、流速、管道固支长度之间的关系。
关键词：流固耦合；临界流速；临界压力【Abstract 】It established the control equation of Fluid Structure Interaction （FSI ）vibration of liquid-filled pipes on the basis of Hamilton ’s variation principle.In the analysis ，the mode function was approxi －mated by positive series and obtained Explicit analytic solution.The formulas of the pipe natural frequen －cy ，critical flow velocity and critical pressure were derived.Finally ，a section oil-filled pipe of aircraft en －gine was analyzed using the proposed method.The relationship of the first two orders of natural frequency-flow velocity ，critical flow velocity-liquid pressure and critical pressure-flow velocity were studied.Key words ：Fluid-structure interaction ；Critical pressure ；Critical flow velocity中图分类号：TH16，O353.4文献标识码：A＊来稿日期：2009-04-08＊基金项目：国家高技术研究发展专项（863计划）资助项目（2007AA04Z404），国家自然科学基金（10472094），博士点基金（N6CJ0001）1引言输流管道在航空航天，石油化工，海洋工程，核工业等领域都有广泛的应用。
管道系统的流体结构耦合振动分析与控制
管道系统的流体结构耦合振动分析与控制管道系统作为工业领域中常见的一种输送介质的工程装置，其运行过程中会产生振动问题，严重影响系统的稳定性和安全性。
为了确保管道系统的正常运行，我们需要对其进行流体结构耦合振动分析与控制。
本文将对流体结构耦合振动的原理、分析方法和控制策略进行探讨。
一、流体结构耦合振动的基本原理在管道系统输送流体过程中，流体通过管道时会产生压力脉动和流动激励力，而这些力会作用于管道结构，导致结构振动。
同时，结构振动会影响流体流动的稳定性和传递特性，形成了流体结构耦合振动的现象。
具体而言，流体结构耦合振动的机理包括两个方面：一是流体力学效应对结构振动的影响，例如流体的质量和惯性力、压力脉动和流动激励力等；二是结构力学效应对流体流动的影响，例如管道结构的刚度和阻尼特性。
二、流体结构耦合振动的分析方法为了准确分析管道系统的流体结构耦合振动情况，我们可以采用数值模拟方法和实验方法相结合的方式。
数值模拟方法主要包括有限元方法和计算流体力学方法。
有限元方法可以对管道结构进行静态和动态的力学分析，得到结构的模态特性和固有频率。
计算流体力学方法可以模拟管道内的流体流动情况，得到流体的压力分布和流速分布。
实验方法主要包括振动台试验和实际工程应用试验。
在数值模拟方法方面，有限元方法可以通过建立结构的有限元模型，求解结构的固有频率和振型，并进一步计算结构的响应。
计算流体力学方法可以通过建立流场的数值模型，求解流体流动的各种参数，如压力、流速等。
综合考虑流体力学效应和结构力学效应，可以得到流体结构耦合振动的特性。
三、流体结构耦合振动的控制策略为了减小管道系统的振动幅值，保证系统的正常运行，我们可以采用多种控制策略。
一种常见的方法是通过结构的优化设计来改善其动力特性，例如增加结构的刚度、减小结构的质量等。
另一种方法是采用主动振动控制技术，利用传感器和执行器实时监测和调节结构的振动，使其保持在可接受的范围内。
还可以采用被动振动控制技术，通过阻尼器、隔振器等装置来吸收和分散结构的振动能量。
基于直接力浸入边界法的软管泵流固耦合分析
㊀验研究文章编号:1009-9441(2024)02-0038-05基于直接力浸入边界法的软管泵流固耦合分析①ѲѲ魏㊀鑫1,刘㊀炜2㊀(1.山西省交通建设工程质量检测中心(有限公司),山西太原㊀030006;2.山西工程科技职业大学建筑工程学院,山西晋中㊀030619)摘㊀要:软管泵是一种容积式流体输送设备,其工作原理基于软管变形和流体速度之间的耦合作用,一般需要根据经验或者测试对其性能进行评估,为对大容量软管泵运行状况进行快速且精确地预测,采用直接力浸入边界法建立流固耦合分析模型,通过建立弹簧单元并根据边界位移的三角函数分布假定来实现软管的柔性变形和刚性约束㊂分析结果得出了单个流程下的边界变形和相应的流体速度,得到了泵运行过程中的流体速度在管截面的分布及其随时间的变化情况,并根据分析模型预测了泵的流量㊂关键词:浸入边界;流固耦合;欧拉网格;弹簧单元;节点中图分类号:TB125㊀㊀㊀文献标识码:A引言工业领域存在较多的流体输送任务,不少是以泵作为其驱动源㊂泵一般是通过改变空腔容积或者叶轮转动将其他形式的能量转化为流体动能㊂软管泵是一种特殊的容积式泵,其内部核心部件包括滑靴和软管,如图1(a)所示,无需配置阀门和密封构造;其工作原理如图1(b)所示,通过滑靴的周期性转动来压迫软管,从而导致软管空腔的体积变化,实现流体按照转动方向进行输送㊂软管泵运行过程中可保证流体仅与软管接触,同时软管材料一般具备较强的抗化学腐蚀性能,使得该泵可用于化工流体输送,如肥料和亚砷酸等[1-2]㊂另外,软管泵对流体适用性较强,可同时输送多种流体或者多相流体,已经在矿浆㊁泡沫㊁粘结剂及污水等场合中得到应用[3-5]㊂流固耦合可通过流体力学和固体力学方法来计算,但一般需要建立复杂的固体和流体模型来实现单向或双向耦合,由于涉及到多平台的商用软件资源非常昂贵且耦合边界设定使得收敛困难㊂浸入边界法是由Peskin C S等[6]提出的一种简化的流固耦合方法,其将固体区域的拉格朗日坐标节点变形通图1㊀工业软管泵过内力映射至周围流体,故流体区域无需建立复杂的自适应网格;流体速度则可映射返回至边界节点从而保证速度一致性实现无滑移边界条件㊂该方法大大简化了数值模型的求解过程㊂浸入边界法在传统的空气动力学㊁水动力学及生物流体力学等领域得到广泛应用㊂吴荣辉等[7]采用该方法对海上风力涡轮机的流固耦合进行了分析,得到了风机结构在流体作用下的动态响应预测和流场分析;阚阚等[8]对轴流泵进行了水力学分析,证明了浸入边界数值计算与实验之间的压力脉动一致性;陈京等[9]采用进入边界法分析了仿生鱼在不同波动频率下的运动性能;任晓飞等[10]将格子-玻尔兹曼方法和浸入边界法结合分析了边界蠕动条件下运动参数对流体流动的影响㊂由于软管泵的工作过程涉及软管变形与流体之间的相互耦合作用,一般依赖经验公式或者测试对其工作性能进行基本评价,缺乏对工作①基金项目:山西工程科技职业大学2022年度校级科技创新项目(KJ202217)㊂过程的深入了解,采用直接力浸入边界法对软管泵的流固耦合分析可实现对其运行过程的快速预测㊂1㊀浸入边界法1.1㊀流体运动方程流体运动满足纳维斯托克斯动量方程(1)和连续性方程(2)㊂ρ∂u (x ,t )∂t+u (x ,t )㊃▽u (x ,t )()=-▽p (x ,t )μΔu (x ,t )+f (x ,t )(1)▽㊃u (x ,t )=0(2)式中:u (x ,t ) 流体速度矢量场;f (x ,t ) 力密度矢量场;p (x ,t ) 压力场;ρ 流体密度;μ 流体粘度㊂浸入变形边界与流体之间的相互作用力函数根据delta 函数内核的积分见式(3)和(4):f (x ,t )=ʏF (s ,t )δ(x -X (s ,t ))dr (3)U (X (s ,t ),t )=∂X∂t=ʏu (x ,t )δ(x -X (s ,t ))dx (4)式中:F (s ,t ) 固体边界变形映射至流体的单位面积力,取决于拉格朗日节点X (s ,t )以及与流体相对位置x ;U (X (s ,t ),t ) 拉格朗日结构节点速度,与流体速度矢量场u (x ,t )及当前位置x 与拉格朗日节点相对位置X (s ,t )相关㊂力和速度之间的映射关系与相对位置有关,根据delta 函数确立见式(5):δh (x )=1h2ϕx h ()ϕy h ()(5)式中:x ,y 边界与周围流体的水平和垂直距离;h 流体网格宽度;r 流体网格与拉格朗日节点的相对距离;ϕ(r ) 计算见式(6):ϕ(r )=183-2|r |+1+4|r |-4r 2()0ɤ|r |ɤ1185-2|r |+-7+12|r |-4r 2()1ɤ|r |ɤ20㊀㊀其他ìîíïïïïïï(6)1.2㊀边界位移由于浸入边界法通过采用罚函数来实现力密度的施加,为实现流固耦合作用,需要建立拉格朗日结构边界位移和变形的本构模型㊂结构节点的位移变形协调采用弹簧单元模型如图2(a)所示㊂弹簧单元通过主节点(X M )和从节点(X S )连接,节点之间的距离为初始长度,节点位移导致的弹簧变形符合胡克定律,其变形能计算见式(7)㊂对于受刚性约束的节点位移,如固定约束和刚体位移,可通过采用目标节点的方式施加较大的刚度来实现㊂在某一时刻t ,结构节点的位移与滑靴的相对位置有关,如图(b)所示,假定边界变形涵盖π/2区域且满足三角函数分布,中心节点位于峰值处具有最大位移幅值,而边界处的位移幅值为0,则节点位移幅值分布计算见式(8):图2㊀边界结构变形E spring =12k S (X s -X M -R L )2(7)d (x ,t )=sin 2[ωt -θ(x ,t )]+π2()(8)式中:E spring 弹簧变形能;X s /X M 弹簧节点坐标;k S 弹簧刚度;R L 弹簧初始长度;d (x ,t ) 区域内的节点位移幅值;ω 滑靴的转动角速度;θ(x ,t ) 区域内的节点相对于中心节点的角位移㊂2㊀分析模型及求解建立二维计算模型如图3所示㊂流体区域设置为2.0m ˑ2.0m,网格划分为64ˑ64,则网格节点间距约为24mm(0.024m);软管为浸入边界环形空间,内径为0.8m,外径为1.0m(直径为0.1m,忽略壁厚),环形中心坐标为(1.2,1.0),环形空间外进出口包括0.9m 的直管段㊂滑靴顺时针转动,速度为20r ㊃min -1,从顶部运动至底部的角位移为π,所需时间为1.5s㊂由图3(b)所示,结构模型节点间距约为15mm(0.015m),内外壁面分配相同数量的节点(各193个)共有386个节点㊂内外壁面相邻节点按顺序建立192个环向弹簧单元,弹簧刚度为1.0ˑ107kg ㊃m -1㊃s -2;内外壁面相对节点建立193个径向弹簧单元,弹簧刚度为1.0ˑ105kg ㊃m -1㊃s -2,结构模型共包括385个弹簧单元㊂在内壁面边界由滚轮压迫所导致的边界变形通过径向弹簧单元的距离改变来实现;外壁面边界结构节点指定为位置固定的目标点来实现固定约束㊂图3㊀流体与浸入边界模型采用开源高级编程语言Python 求解流体运动方程,计算步骤归纳为:(1)根据当前拉格朗日边界变形由式(7)和(8)来计算力密度㊂(2)利用式(3)将边界变形的力密度映射至附近的欧拉流体网格点㊂(3)根据当前流体速度和外力求解流体纳维斯托克斯方程(1)和连续性方程(2),更新下一时间段的速度和压力,流体区域满足周期性边界条件,采用快速傅里叶变换提高求解效率㊂(4)浸入边界满足无滑移边界条件,利用局部流体速度和式(4)来计算拉格朗日节点的速度从而计算其位移并更新其位置坐标㊂3㊀分析结果3.1㊀边界变形及速度场模型计算所得到的浸入边界变形和对应的流体速度场分布如图4所示㊂由于浸入边界法采用直接力法,结构边界力分布在周围流体中,流体网格无需进行更改,因而力密度不但施加到边界内部真实流体,也会施加到边界外部假定流体,边界发生变化时会导致内外流体的速度发生变化㊂根据图4(a)和(b)的结构边界变形可知,在0.1s 和0.3s 时,内壁面的径向位移基本满足三角函数分布,而外壁面则保持固定㊂随着滑靴转动,边界位移峰值逐步由顶部向底部扩展,内壁面同时存在环向拉伸,满足软管泵的运行㊂环向拉伸使得与滑靴接触过后的边界区域未能恢复初始状态,会对后续转动导致的径向位移存在影响㊂另外,由于设置的径向弹簧刚度小于环向弹簧刚度,因而在0.6~1.5s 内壁面的局部区域产生了波浪状屈曲变化㊂对应于结构边界的变形,流体速度场同时发生变化,软管泵的流体输送性能主要考察环形空间的速度幅值㊂在节点位移施加初始时刻(0.1s),边界的挤压主要引起进口和环形空间中上部产生较大的速度幅值,直到0.3s,即转动位移达到π/5时才传递至出口区域㊂在0.6~1.2s,软管中下部存在较大的速度幅值,主要发生在软管尚未被挤压的区域㊂出口的速度幅值随着时间推进不断增大,表明输送至出口的流体流量不断增加,在1.5s 时出口速度幅值达到极大值,这标志着完成一个转动周期的流体输送㊂3.2㊀管截面速度为探究软管的流速分布,选定出口直管段的0.4m㊁0.6m㊁0.8m 和1.0m 等4个位置,得到各处管横截面坐标在不同时间的水平速度分布如图5所示㊂由于出口速度方向与x 轴方向相反,因而流出速度为负值㊂由图5(a)可知,在滑靴初始启动阶段(0.1s),距离出口远的位置(1.0m)水平流出速度增加到-0.5m ㊃s -1,截面的水平速度满足抛物线分布,管中心的速度幅值最大,而靠近管壁面的水平速度为0;随着时间达到0.5s,即转动角度为π/3时,四处位置的水平速度获得相同的抛物线分布,且最大速度仍为-0.5m ㊃s -1;当时间达到1.0s 时,在0.6m㊁0.8m 和1.0m 处水平速度分布基本一致且最大速度为-0.8m ㊃s -1,在靠近出口的0.4m 处水平速度分布与其他各处不同,最大速度达到约图4㊀不同时刻的流体速度及边界变形1.0m㊃s-1;当滑靴达到最终转动角度π时,距离出口最近的0.4m处最大水平速度达到-1.5m㊃s-1,而其他三处的最大水平速度达到-1.0m㊃s-1,其中0.6m 和0.8m与出口相对较近,因而速度分布类似㊂为进一步分析流速的时间分布,选择距离出口较远的1.0m和距离出口较近的0.4m处,得到软管横截面各位置的速度变化情况如图6所示㊂由图6(a)可知,在距离出口较远的1.0m处,管截面靠近上下壁面的位置(0.5m和0.6m)水平速度基本为0,满足无滑移的边界条件㊂而靠近管截面中心0.53m和0.56m位置的水平速度在0.8s前随着时间出现非线性负向递增,然后在0.8s与1.0s之间有短时减少,然后又开始递增,而在1.4s时管截面中心上部位置(0.56m和0.60m)开始出现回流;在距离出口较近的0.4m处,在管截面的下壁面附近(0.5m)的水平速度为0,上壁面(0.6m)在0.8s后水平速度达到正值,证明出现回流情况,管截面中心处(0.53m和0.56m)的水平速度基本保图5㊀管截面水平速度持非线性单调负向递增,最终达到-1.0m㊃s-1和-1.5m㊃s-1,按照两点处的平均水平速度及抛物线分布假定,则泵的流量的流量可达到12000L㊃h-1㊂4㊀结论对于容积式软管泵,采用浸入边界法进行软管图6㊀管截面水平速度时间变化变形和流体输送的流固耦合分析,结合边界的位移变化和所导致的流体速度场,得到如下结论:4.1㊀采用弹簧单元可实现对固体变形的追踪,对于有固定约束的固体边界可采用目标点实现,弹簧的径向和环向刚度设置会影响到柔性体的变形协调性,可能导致局部不规则变形出现㊂4.2㊀流体的速度场分布与变形边界紧密相关,初始的变形对于进口部位的流场影响较大,而后期的变形主要是导致出口的流速变化㊂4.3㊀软管的横截面水平速度基本满足抛物线分布,且在管段不同位置的分布特征存在不同;横截面上不同位置的水平速度存在非线性变化特征㊂参考文献:[1]马燕,张立新,葛云,等.基于液态施肥系统的软管泵的设计与试验[J].农机化研究,2022,44(3):90-94. [2]刘荣佳.Bredel软管泵在亚砷酸工艺上的应用及优化[J].化学工程与装备,2022(3):172-173. 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振 第３ ２卷第 １ ３期
动
与
冲
击
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩ ＢＲＡＴ Ｉ ＯＮ ＡＮＤ Ｓ ＨＯＣＫ
外 部流 体 作用 下 管道 输送 流 固耦 合效 应 偏移 分 析
周ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ进 ，阳 宁 ，王
（ １ ．湖南科技大学 机 电工程学院 ， 湖南 湘潭
钊 ，袁
毅 ，罗柏文
湘潭 ４ １ １ ２ ０ １ ； 长沙 ４ １ ０ ０ １ ２ ）
４ １ １ ２ ０ １ ； ２ ． 湖南科技 大学 机械设备健康维护省重 点实验室 ， 湖南
３ ．长沙矿冶研究院深海矿产资源开发利用技 术国家重 点实验室 ， 湖南
摘 要 ：采用数值方法分析管道结构 一 外部流体相互耦合效应对管道输送过程中管道 自由端偏移的影响。调查
的地方集 中在管道 自由端 ， 最大偏移则 出现在 自由端顶点处 ； ② 管道上端无论是 固结还是铰接 ， 随着 管外 流体 速度 增加 ，
方 向最大偏移的增量总是小于 ｙ方 向最大偏移 的增量 ； 而 方 向的最小偏移变化量则大于 Ｙ方 向相应偏移 ； ③ 同一流
速 冲击下 ， 固结时 ｌ ， 方 向的最小偏移略大于铰接时 Ｙ方 向的最小偏移 ， 且两者在外部流速为 ０ ． ３ ｍ ／ ｓ时出现极大值 。
中充分考虑管道结构 一流体耦合效应 ， 流体域 与结 构域通 过拉格 朗 日 一欧拉公式 表述。 以垂直悬 臂提 升管道为研 究对 象， 应用有 限元软件 Ａ Ｄ Ｉ Ｎ Ａ对其外部流体 一管道结构 进行 流固耦合特性研 究。研 究结果表 明 ： ① 管道 上端不论 是采取 固接还是铰接支撑 ， 外部流场 以不 同速度 冲击管道时 ， 整个管道偏移变化不 明显 ， 在 同一流速下对管道偏移变化较为显著
关键词 ：流 固耦合作用 ； 计算流体动力学 ； 提升管道 ； 偏移
中 图分 类 号 ：Ｕ １ ７ ３ ． ９ １ 文 献 标 识 码 ：Ａ
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