U 型充液管道的流固耦合分析
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。
输液管道破坏的流固耦合分析
裂使 得东三环路面积水长达 ２ｋ ｍ。如果 遇 到 自然灾 害 ， 如地震 ， 地下输液管道 将会 遭受 巨 大破 坏并 造 成生 命财 产 的 巨大损 失 。
如 １７ ９ ６年唐山地震 ， 整个城市供水管 网完全遭 到破坏 ， 京输 油 秦
管线 流失原油 １ 万余 吨… １ ９ 云南丽江地震 ， 江旧水厂 主 １；９ ６年 丽 干供水管 道遭 到严 重破坏 ；０ ３年 云南 大姚地 震 ， ２０ 金碧镇 自来 水
忠， 刘玉兰等（９ ８年 ） １９ 讨论 了流体 的流速 、 压强 变化 以及 固一液
耦合 阻尼和 固一液耦合刚度对管道 固有频 率 的影 响 张智勇 等 ３； （０ ０年 ，０ １ ） ２０ ２０ 年 对充液 直管 管 系中 固一液 耦合 对管 系轴 向振 动响应 的影响进行 了研 究 ， 导 了低 频情 况下 的充液 直管 轴 向、 推
管道工程共发现渗漏点 近 ４ ０处。因为输 液管道破坏 受到其管 内
流体 的影 响 ， 因此 ， 液管道 的流 固耦 合分析 日益受 到重视 。国 输
外的流固耦合作用研究起 自 ２ ０世纪 ７ ０年代 』我 国的流 固耦 合 ２， 研究起 自２ 世 纪 ８ ０ ０年代 ， 在 ２ 并 ０世纪末 得 到较 快发展 。王世
一
算机 与数 字工程 ，０ ５ ３ （ ）７ ４ ２ ０ ，３ ８ ：２７ ． 京航 空航 天大学学报 ，９ ６ ２ （ ）５ ０５ ４ １ ９ ，２ ５ ：３—３ ． ［］ ３ 陈建春 ． ｉ ａ Ｃ＋＋开发 ＧＩ Ｖｓ ｌ ｕ Ｓ系统—— 开发 实例剖析［ ． Ｍ］北
京 ： 子 工 业 出版 社 ，００ 电 ２０ ．
维普资讯
第 ３ ３卷 第 ３ ３期 ２００７年 １１月
流固耦合声学分析介绍
流固耦合声学分析介绍流固耦合声学分析是一种结合了流体动力学和固体动力学的分析方法，用于研究流体和固体之间的相互作用以及声波的传播和辐射。
在许多工程和科学领域中，流固耦合声学分析被广泛应用于汽车、航空航天、船舶、建筑、声学设备等领域。
流固耦合声学分析的基本原理是通过数学模型和计算方法将流体动力学和固体动力学耦合在一起。
在此分析中，首先需要确定流体流动的初始条件，包括流体的速度、压力和密度分布。
然后需要确定固体结构的几何形状和材料力学性质，并考虑外部声源或振动源对固体的激励。
接下来，通过求解流体动力学方程和固体动力学方程的耦合方程组，可以获得流场和固场的解，并计算声波的传播和辐射情况。
流固耦合声学分析的主要应用之一是预测机械结构在流体流动中的响应和振动情况。
例如，可以通过该方法研究汽车外壳在行驶过程中的空气动力学效应以及引擎振动对车身的影响。
通过模拟流固耦合声学分析，可以优化汽车外壳的设计，降低噪声和振动水平，提高乘坐舒适性。
同样，该分析方法还可以用于研究飞机机翼、船体、建筑等结构在流体流动中的响应和振动情况，以提高它们的性能和安全性。
流固耦合声学分析还可以用于预测声波的传播和辐射。
例如，在航空航天领域中，可以通过该方法研究喷气发动机尾迹噪声的传播和辐射特性，改进发动机设计，降低噪声水平。
在建筑领域，可以使用流固耦合声学分析预测建筑结构的隔声性能，改善室内声环境。
在声学设备领域，可以通过该分析方法优化扬声器和音箱的设计，改善音质和音量的性能。
流固耦合声学分析主要依靠计算流体力学（CFD）和有限元分析（FEA）等计算方法来求解耦合方程组。
这些计算方法通常需要使用计算机辅助工程软件，如ANSYS、ABAQUS等。
这些软件提供了丰富的数学模型、求解算法和后处理工具，可以帮助工程师和科学家快速、准确地进行流固耦合声学分析。
然而，流固耦合声学分析也面临一些挑战和限制。
首先，由于流场和固场的方程组是非线性的，求解过程具有一定的复杂性和计算量。
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
充液容器流固耦合模态仿真分析研究
充液容器流固耦合模态仿真分析研究
薛杰;何尚龙;杜大华;李锋
【期刊名称】《火箭推进》
【年(卷),期】2015(041)001
【摘要】主要介绍目前容器类流固耦合模态分析最常用的两种计算方法:声固耦合法及虚拟质量法.从理论上分别对这两种方法进行分析,并指出它们之间的联系与区别:虚拟质量法采用了声固耦合法在不可压缩流体情况下的形式,并有所改进,即流体的作用完全由虚拟质量阵来体现,而流体的虚拟质量阵则通过具有解析解性质的边界元法获得.最后,通过开口方槽干状态、湿状态的无阻尼模态仿真分析研究,揭示出流体对结构模态特性影响的变化规律,同时指出了两种方法(虚拟质量法、声固耦合法)对结构湿模态计算结果有规律性的差异:随着振动频率的升高,不仅容器内流体对结构模态特性的影响在减小,分析湿模态的两种方法所得到的计算结果之间的差别也在逐渐减小.
【总页数】8页(P90-97)
【作者】薛杰;何尚龙;杜大华;李锋
【作者单位】西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100
【正文语种】中文
【中图分类】V434-34
【相关文献】
1.基于ANSYS的含液容器流固耦合模态分析 [J], 王华;曹刚
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火箭推进系统充液管路的流固耦合动响应分析
第25卷第4期2010年4月航空动力学报Journal of Aerospace PowerVol.25No.4Apr.2010文章编号:1000-8055(2010)04-0852-05火箭推进系统充液管路的流固耦合动响应分析魏 鑫1,孙 冰1,于子文2,汤 波2,张青松2(1.北京航空航天大学宇航学院,北京100191;2.北京宇航系统工程研究所,北京100076)摘 要:针对大型运载火箭推进系统中的液氧供应管路,建立流固耦合作用的模型,开展了动响应分析研究.在二维平面管系中同时分析纵向和横向振动及其相互作用,并考虑泊松耦合和连接耦合的影响,对火箭贮箱出口的充液管段模型进行了计算.结果表明:相对于经典水锤理论,考虑纵向横向振动的充液管路的流固耦合动响应形式相对复杂,频率和幅值也有变化.该研究工作为下一步的管路试验和振动抑制研究提供了参考.关 键 词:流固耦合;充液管路;振动;纵向和横向中图分类号:V414.3 文献标识码:A收稿日期:2009-03-30;修订日期:2009-07-14作者简介:魏鑫(1981-),男,四川宜宾人,博士生,研究方向为火箭动力学、冲压以及火箭发动机热防护研究.Dynamic response analysis of fluid -structure interactionin liquid -filled pipes of rocket feed systemWEI Xin 1,SU N Bing 1,YU Z-i w en 2,T ANG Bo 2,ZH ANG Qing -song 2(1.School of Astronautics,Beijing University of Aeronautics and A stronautics,Beijing 100191,China;2.Beijing Institute of Astronautical Sy stem s Eng ineer ing,Beijing 100076,China)Abstract:Co nsidering the effect of fluid -structure interaction,the dy nam ic response study of liquid -filled pipes of ro cket feed sy stem w as carr ied out in this paper.To set a mod -el,the pipes w er e defined in a plane,w hich could v ibrate axially and transversely under the influence by Po isso n coupling and junction coupling.Numerical test o n pipes betw een rocket tank and pum p w as then conducted.T he reasonable results reg arding frequencies and modes show the necessity of propo sed model,as compared w ith the traditional w ater hamm er mod -el.This study co uld give a reference to the pipe test and further study on oscillatio n suppr es -sion.Key words:fluid -structure inter actio n;liquid -filled pipes;vibration;ax ial and later al direction流固耦合(fluid -structure inter actio n,FSI)问题属于应用力学范畴,它是充液管路固有力学特性的体现./耦合0是指流体与管路在运动中相互影响、相互作用.1956年,流固耦合作用首先被Skalak [1]提出;他认为在充液管路中除了压力波外,还相应地存在应力波;这也就是所谓的/前驱波0(precursor w aves)现象.该现象后被T ho rley 实验所证实.此后,众多学者提出了各种流固耦合数学模型,但是这些模型仅仅只考虑了流体在流经弯头或阀门等处时与管路的耦合作用.直到上世纪80年代,Wiggert [1]和Tijsseling [2]等人的研究(尤其是耦合机理方面)取得了较大突破.他们第4期魏鑫等:火箭推进系统充液管路的流固耦合动响应分析建立的流固耦合模型,不仅包含了连接耦合,而且还考虑了由轴向变形与径向变形相互影响而引起的泊松耦合.国内关于流固耦合的研究,起步相对较晚.张智勇[3]和孙玉东[4]等人利用仅考虑纵向振动的流固耦合模型分别进行了针对关阀水锤和开阀水锤的动响应分析.公开的文献资料中罕见有关火箭推进系统充液管路的流固耦合动响应分析方面的研究报导.然而针对液体运载火箭推进系统管路的流固耦合动响应研究是非常具有实际意义的.航天运载领域的跷振问题是流固耦合动力学研究的内容之一.对于具有较大长细比的液体运载火箭,当其推进系统固有频率与结构纵向振动频率彼此接近或相等时,就可能引起火箭全系统的不稳定振动,类似不断跳跃的/弹簧单腿高跷0,即所谓的/POGO0现象.这种振动将导致仪器仪表无法可靠工作,宇航员生理系统失调,甚至运载器飞行失败等问题.POGO问题的分析和抑制需要对液体运载火箭推进系统管路进行动力学研究.而当前关于POGO问题的动力学研究大多采用解耦法,即把管路中的流体脉动和管路振动分开进行研究[5].然而实际上,流体在管路中的脉动流动会引起管路变形,而管路的变形又会改变流体的流动状态,这样解耦分析必然与实际不符.并且综合国内外学者在其他领域的研究也可以看到,不考虑流固耦合作用相对考虑流固作用所得到的结果是有偏差的,尤其是当管路相对自由时,这样使系统设计分析的安全性存在问题.因此,对火箭推进系统开展考虑流固耦合作用的充液管路动特性研究是十分必要的.本文将流固耦合中的泊松耦合和连接耦合机理应用于大型运载火箭推进系统中的液氧供应管路的动特性研究;在分析中同时考虑了纵向和横向振动及其相互作用;针对火箭贮箱出口的充液管段模型开展了不考虑流固耦合(即经典水锤模型)和考虑流固耦合的对比计算,并对结果进行了分析.1计算模型1.1直管单元如图1所示,对于一个充液直管单元,本研究只考虑纵向和横向运动,即认为系统为二维平面管系,只在y-z平面运动.为简化模型,给出如下假设:¹流体作一维纵向流动,忽略局部损失,且不会发生气蚀;º管壁截面应力分布均匀;»管壁变形在线性范围内[4].根据流体和管路的泊松耦合和摩擦耦合机理,并参考T im oshenko梁模型[6],针对充液直管单元分别建立纵向和横向的运动微分方程.纵向运动微分方程包含了流体纵向运动方程、流体连续性方程、管路纵向运动方程、以及考虑流体压力影响的管路应力应变关系方程.图1充液直管单元示意Fig.1Element of liquid-filled pipe hint5V5t+1Q f5p5z+R f V=0(1) 5V5z+1K*5p5t-2M5u#z5z=0(2)5u#z5t-1Q t5R z5z-R t V=0(3)5u#z-1E5R z=-M REe5p(4)其中z为管道纵向距离,V为流体速度,p为流体压力,Q f为流体密度,R f为黏性阻尼系数,u#z为管路速度,Q t为管路材料密度,M为泊松比,E为杨氏模量,R为内半径,e为壁厚,K*为修正的流体体积模量.方程(2)左端第三项表示泊松耦合对流体连续性的影响;若忽略该项,则方程(1),(2)构成经典水锤理论的表示形式[7].横向运动微分方程则包括了管路横向运动方程、剪力动平衡方程、弯矩动平衡方程、以及挠曲轴近似微分方程.5u#y5t+1Q A5Q y5z=0(5)5u#y5z+1GA t5Q y5t=-ÛH x(6)5ÛH x5t+1Q I5M x5z=1Q I Q y(7)5ÛH x5z+1EI t5M x5t=0(8)853航 空 动 力 学 报第25卷其中u #y 为管路横向速度,Q y 为横向剪切力,ÛH x 为管路挠曲转角速度,M x 为弯矩,I 为转动惯量,G 为管道剪切模量,单位长度平移惯量Q A =Q t A t +Q f A f ,单位长度等效转动惯量Q I =Q t I t +Q f I f .1.2 弯管单元如图2所示,对于弯管单元,需要通过边界条件和连接条件来考虑连接耦合[2].与直管单元相似,只考虑y -z 平面运动;且忽略弯管质量,各力的改变只与液体运动有关.根据守恒条件,可以得到以下的关系式:A f 1V 1-u #z 1=A f 2V 2-u #z 2(9)p 1=p 2(10)u #z 1=u #z 2cos A +u #y 2sin A(11)A f1p 1-A p1R z1=A f2p 2-A t2R z 2co s A +Q y 2sin A (12)u #y 1=u #y2cos A -u #z2sin A (13)Q y 1=Q y2cos A -A f p -A t R z2sin A(14)ÛH x 1=ÛH x 2(15)M x 1=M x 2(16)其中A 为弯管连接前后的z 方向变化角度,以顺时针变化为正.图2 充液弯管单元示意F ig.2 Element o f liquid -filled elbo w pipe hint1.3 特征线法求解利用特征线法,将偏微分方程组(1)~(16)转化为常微分方程组,即可积分得到各状态变量与上一时层状态变量的关系.表达式具有直观、物理意义明确的特点,而且利于编程实现.针对具体管路进行分析时,首先把对象模型按照设定的空间步长划分为若干节点,并根据CFL(Courant -Friedrichs -Lew y)条件选择相应的时间步长.在沿时间推进的计算过程中,需要判断节点类型:若为边界节点,则考虑特征线与节点交汇的方式,选取相应的特征线方程组,并结合边界条件求解;若为连接耦合节点,则结合连接耦合方程求解;其余节点,则直接利用特征线方程组求解.按照上述过程进行编程计算,并对考虑流固耦合的关阀水锤算例[3]和单弯管撞击试验结果[2]进行了对比仿真计算,与文献符合较好,说明了流固耦合模型的合理性和计算程序的正确性,也为后续的仿真计算打好了基础.2 贮箱出口至泵前管路计算针对某火箭液氧贮箱出口的充液管段进行动响应分析.如图3所示,左侧的pipe 1为简化的充液管段模型,右侧的pipe 2为总长度与pipe 1相等的对比分析模型;管路长度单位为m.图3 贮箱出口段管路pipe 1和等长直管pipe 2示意图F ig.3 Pipe 1(outlet of stor age)and straig ht pipe 2(leng th as t he pipe 1)hint管路始端为贮箱出口,出口压力p 0=0.4MPa,体积流量Q 0=0.2m 3/s,有如下约束条件:u #z 0,t =0,p 0,t =p 0,Q y 0,t =0,M x 0,t =0管路末端为固定端.在此处设置一个阶跃型0.01s 内减少1%的流量,即扰Q 0-(Q 0/100)1-S ,其中S =t c 为0.01s,指数E m 为1.5.854第4期魏 鑫等:火箭推进系统充液管路的流固耦合动响应分析根据静力平衡条件,可以分析得到各点初始时刻的应力、剪力和弯矩值.对于直管pipe 2,我们首先利用经典水锤理论模型进行计算,得到管路末端的压力变化如图4中的曲线1.因为该模型只针对管内流体进行分析,所以对阶跃信号的压力响应为方波形式的曲线;而且,曲线的变化规律可以用类似关阀水锤的分析[7]进行解释,压力波完成一个传播循环,其周期为T =4(L /c f )U 0.1008s,相应的频率为9.92Hz.图4 阶跃激励下管路末端的压力变化曲线Fig.4 Curve o f pr essure at t he end o f pipe(spr ing disturbance)若考虑流固耦合作用,直管pipe 2末端的压力变化如图4中的曲线2,与曲线1相比较,前者出现了很多锯齿形状的波动,这反映了管路应力波的存在;而且曲线2压力变化的幅度也有所增大.从图5的频谱曲线可以看到,此时pipe 2系统的基频为9.44H z.对于贮箱出口充液管段pipe 1,末端压力变化曲线如图4中的曲线3,其振动形式相对最复杂,幅度也有所不同;从图6的频谱图可以看到,pipe 1系统的基频为9.13H z.分析原因如下:如果不考虑弯管连接耦合,pipe 1管路就等效于等长直管pipe 2;如果考虑弯管连接耦合,充液管路纵向和横向振动之间的相互影响就会显现;纵向和横向的运动状态量在各处平衡关系制约下,会发生振动形式的改变,从而使单纯的纵向扰动转变为纵横弯多种形式混合的扰动;因此,压力响应曲线也就变得更加复杂.图5 Pipe 2管路末端压力变化的功率谱Fig.5 Po wer spectrum o f pipe 2图6 Pipe 1管路末端压力变化的功率谱Fig.6 Po wer spectrum o f pipe 13 结 论1)对于两端固定、入口定压出口流量变化的充液直管,由于考虑流固耦合作用受到应力波的影响,相对于只对管内流体进行分析的经典水锤理论模型,其压力响应曲线出现了锯齿型变化,计算得到的系统的固有频率减小.2)对于弯管,由于考虑了弯管连接耦合,管路纵向和横向振动相互影响,纵向扰动形成了纵横弯多种形式叠加的复杂响应曲线,计算得到系统频率相对不考虑弯管效应(即等长的直管)的系统频率有所减小.3)对考虑流固耦合、以及纵向和横向振动相互影响的充液管路模型进行动响应分析,其频率和幅值通常都会发生较大变化.因此,对于以往根855航空动力学报第25卷据经典水锤理论模型开展动响应分析而得到的一些安全情况,就可能会存在潜在危险,有必要进行重新分析确认.4)本文的计算模型及其分析结果,为相关的管路试验设计和实施提供了参考,同时也为充液管路的振动预测及抑制研究提供了思路.另外计算结果的准确性也需要通过试验进一步来验证.参考文献:[1]W iggert D C,Hatfield F J.Analysis of liquid and s tructuretransients in piping b y the meth od of characteristics[J].AS M E Journal Fluids Engin eering,1987,109:161-165. 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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。
流固耦合的研究综述
流固耦合的研究综述流固耦合是指流体和固体之间相互作用的现象。
在许多自然界和工程应用中，流体和固体之间的相互作用起着重要的作用。
例如，在大气中，风与树木之间的相互作用会导致树枝的摆动；在海洋中，海浪与海岸线的相互作用会引起沙滩的冲刷。
在工程应用中，流固耦合现象也十分常见，如飞机在飞行时的气动弹性效应、管道中的液固两相流动等。
流固耦合现象的研究对于深入理解自然界中的复杂问题和提高工程应用的性能至关重要。
本文将综述流固耦合的研究现状和相关领域的进展，并重点介绍流固耦合模型的建立和求解方法。
在流固耦合的研究中，模型的建立是一个关键的环节。
根据问题的实际情况和研究目标，可以采用不同的数学模型来描述流体和固体之间的相互作用。
常用的模型包括神经网络模型、有限元模型和计算流体动力学模型等。
这些模型能够准确地描述流体和固体之间的动力学关系和力学行为，并提供对流固耦合现象的定量分析。
在流固耦合模型的求解中，常用的方法包括数值模拟和实验测试。
数值模拟方法主要是利用计算机模拟流体和固体之间的相互作用过程。
常见的数值模拟方法包括流体动力学模拟、结构动力学模拟和流固耦合模拟等。
通过数值模拟，研究人员可以获得流体和固体之间的详细信息，如压力分布、速度场和应力分布等。
实验测试方法主要是通过实验设备来模拟流体和固体之间的相互作用过程，并进行测试和观测。
实验测试可以提供直观的物理现象和定量的实验数据，对于验证数值模拟结果和模型的有效性具有重要意义。
在流固耦合的研究中，还存在许多待解决的问题和挑战。
首先，流固耦合现象的模型和方法需要进一步发展和改进，以更好地符合实际问题的要求。
其次，流固耦合模型的求解方法需要更加高效和准确，以提高计算速度和求解精度。
此外，流固耦合的研究还需要考虑多尺度效应和非线性效应等复杂问题，进一步提高模型的适用范围和研究的深度。
综上所述，流固耦合作为一个重要的研究领域，对于理解自然界和工程应用中的复杂问题具有重要的意义。
充液管道中弯头流固耦合振动分析数学建模研究
充液管道中弯头流固耦合振动分析数学建模研究钟永恒;钟易成;田野;邓君湘【摘要】基于特征线14方程模型,对充液管路系统中弯头处的流固耦合进行了建模研究,得出了弯头处的平衡方程,通过C++软件开发管道流固耦合时域响应计算程序,结合文献算例验证了建模的正确性,研究了弯头对管道流固耦合振动特性的影响.结果表明,和直管相比,弯接头的存在能够降低流固耦合作用中流体压力和管道所受轴向应力脉动的峰值;弯头角度为90°时,弯头处流体压力脉动以及管道轴向应力脉动的峰值最小.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2019(048)003【总页数】5页(P120-124)【关键词】管道;流固耦合;振动分析;数学建模;弯头【作者】钟永恒;钟易成;田野;邓君湘【作者单位】南京航空航天大学江苏省航空动力系统重点实验室,江苏南京210016;南京航空航天大学江苏省航空动力系统重点实验室,江苏南京210016;沈阳特种设备检测研究院,辽宁沈阳110035;沈阳特种设备检测研究院,辽宁沈阳110035【正文语种】中文【中图分类】TP391.90 引言充液管道系统普遍应用于机械、水利、电力、化工、核工程、航空航天以及医疗等各个领域[1]。
充液管道系统对国民经济、人民生活水平都起着十分重要的作用[2]。
当管路系统中阀门突然关闭、油泵机组突然停车等某种外界原因使得液体流速突然发生变化时，会导致压强急剧升高和降低的交替变化，产生的压力以压力波的形式在管道中传播，进而诱发管道的自激振动甚至大幅度的振荡，管道的振动又会引起新的水击过程，这种流体和管道之间的相互作用过程称之为充液管道的流固耦合[3]。
充液管道流固耦合中流体与管道之间的关系可以通过图1描述[4]。
根据耦合机理的不同，可将充液管道流固耦合形式分为：摩擦耦合、泊松耦合和结合部耦合。
相比较摩擦耦合和泊松耦合，结合部耦合(如弯头处)导致的充液管道流固耦合作用更加明显[5]。
U形渡槽三维流固耦合体风振响应分析
Ｄ ：０ ３ ７ ／ ． ｓ ．０ ０１８ ．０ １ ０ ．１ ＯＩ １ ．８ ６ ｊｉ ｎ １０ —９ 合 体 风 振 响应 分 析
刘 亮， 张 华
（ 河海大学土木与交通学 院 ， 江苏 南京 ２０９ ） １０８
摘 要 ：以排 架 Ｕ形渡槽 为研 究对 象 ， 建立 三维 流 固耦 合 模 型 ， 通过 自回归 滑动 平 均 （ Ｒ Ａ ＭＡ） 型 模 模 拟 的脉 动风 ， 采用任 意拉 格 朗 日一 欧拉 （ Ｌ ） Ａ Ｅ 方法 分析 了 ｕ形 渡槽 风 振 动 力响应 ． 结果表 明 ： 风荷 在 载作 用 下 ， 水体与 槽壁 的动 力相 互作 用是 一种 复杂 的非 线性过 程 ； 内水体 晃动 产 生的动水 压 力很 槽
式 中 ： ， — — 结构 的质 量 、 Ｃ， 阻尼和 刚度 矩 阵 ； ， ｕ， —— 相 对地 面 的水 平位 移 、 度 和加 速 度 列 向量 ； 速
— —
时间 ； ｗ ｔ ——作用在结构上的脉动风荷载向量 ； ｔ ——槽 内流体对槽身的作用力 ． Ｐ （） Ｐ （）
桥梁 、 构物 主要 受近地 风 的影 响 ， 结 即大气 边界 层 内空 气流 动 特性 的影 响ｌ ． 地 风一 般 包 含物 理 量 不 ３近 Ｊ 随 时间变 化 的平均 风和 随机 性很 强 的脉动 风 ２个 部分 ， 平均 风速 可 以通过 长期 的观 测统计 出来 ， 脉动 风速 而 可 以用 自回归 滑动平 均 （ Ｒ Ａ） 型来 模 拟 ． 渡槽 抗 风设 计 中 ， ＡＭ 模 在 如果 静 风 荷 载估 计 过 小 ， 未 考 虑 脉动 风 且
４２ ２
河 海 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第３ ９卷
充液直管管系中的固_液耦合振动响应分析
=
K
*
/ Qf ,
其中
K
*
=
1+
Kf 2R K f
D/
eE ,
Qf
为液体密度,
D 为与管道泊松比及末端约束条件有
关的系数[ 1] , K f 为液体体积模量, e 为管道壁厚, R 为管道内半径, E 为管道杨氏模量。C为
管道与水平方向夹角。
1. 2 充液直管的扩展水锤理论( Ext ended Wat erham mer Equat ions)
1 充液直管计算模型
本文对所研究的管系进行以下假设: 管道中液体近似做一维绝热流动。管道为水平、等 截面圆管道, 薄壁, 线弹性, 各向同性。忽略液体内摩擦, 管道液体中无空泡现象发生。仅仅考 虑管道与液体的一维轴向运动, 而忽略弯曲波及高阶叶状波。这一假设适合于管道不太长, 液体脉动频率低的情况。
门前后端压差。
2. 2 计算结果分析
分别使用扩展水锤模型与经典水锤模型计算当阀门立即关闭( tc= $t ) 时考虑与不考虑
4 58 振 动 工 程 学 报 第13卷
管道与液体耦合作用情况下管道与液体的响应, 分别研究了三种耦合作用的耦合原理及对 整个管系振动响应的影响。 2. 2. 1 连接耦合
在本算例中, 由于阀门的关闭, 液体流速发生变化, 液体通过阀门对管道施加力的作用, 使管道发生轴向的伸缩运动, 这种耦合作用通过管系中某些特定元件而起作用, 称为“连接 耦合”。在扩展水锤模型计算中, 使泊松比与摩擦系数为零, 即只考虑连接耦合。图2( a) 为计 算所得的阀门端液体压力响应曲线, 其中虚线为不计入固-液耦合时的计算结果, 实线为考 虑连接耦合时的计算结果。可以看到两者有较大差别, 在不考虑固-液耦合时, 阀门端液体压 力呈现规则的周期变化, 管道中存在着周期为4L / cf = 0. 078s( 液体波速为1025. 7m/ s) 的液 体纵波。由于管道不发生轴向运动, 液体波动使阀门端液体做相同周期的压力波动, 这与文 献[ 1] 结果是一致的。在考虑连接耦合时, 由于管道中液体压力变化, 管道一方面作以管道第 一阶轴向纵波频率振动的自由振动部分, 另一方面作与液体纵波频率相等的强迫振动部分, 这两部分振动相互叠加, 使阀门端液体压力变化不再规则, 压力变化幅值增大, 并出现相位 延迟。图2( b) 为阀门端管道位移响应曲线, 可以看到此时由管道自由振动与强迫振动共同 作用而产生的位移响应波动。
U形弯管内大颗粒固液两相流的输送特性研究
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。
U形渡槽流固耦合有限元建模与响应谱分析
U形渡槽流固耦合有限元建模与响应谱分析U形渡槽流固耦合有限元建模与响应谱分析韩晓育1，2，王俊1，2（1.黄河水利职业技术学院，河南开封475004；2.小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南开封475004）摘要：渡槽结构的振动特性分析是进行结构抗震设计与安全评价的重要内容之一。
结合景泰川电力提灌二期工程的特点，考虑实际工程输水过程中水体与槽体间的耦合作用，采用ANSYS软件中融合的流固耦合模块建立了渡槽三维有限元模型，并对3种不同水位工况进行模态计算，得出相应的固有频率和主振型特征，再将正常水位工况下的计算结果与用HHT方法辨识的结果进行对比，误差范围为0.2%～4.4%，能够满足实际工程要求，说明有限元模型的适用性较强，同时对其主振型特征进行分析总结并提出合理的建议，最后利用反应谱理论对渡槽结构进行动力响应计算，得出不同工况下渡槽结构的位移、应力响应最值及变化规律，为渡槽结构的抗震设计、后续研究和该工程的加固改造提供理论依据。
关键词：渡槽；流固耦合；有限元建模；模态参数辨识；模态分析；响应谱分析近年来，随着国家对水利建设投资的不断加大，渡槽在各地水利工程建设中得到了广泛应用［1］，为满足工程结构的实际需求，加强渡槽结构的分析研究是十分必要的。
常用于渡槽结构理论计算的方法有结构力学法和有限元模拟法，进行结构动力计算时往往选用有限元模拟法，其能通过图像来方便、直观地反映出结构的振动特征。
目前，渡槽抗震设计计算研究中考虑更多的是槽体与水体之间的流固耦合作用［2－4］，且不同模型的计算结果差别很大，动力计算模型的选取还有待统一。
实际工程抗震设计中只有合理地选取流固耦合仿真模型，其动力响应结果才能作为抗震设计的依据。
为此，笔者以景泰川电力提灌二期工程（以下简称景电工程）中大型渡槽为研究对象，结合流固耦合理论，使用ANSYS有限元软件建立了槽体－水体－排架－基础－地基为一体的三维有限元动力模型，对渡槽结构进行了3种不同水位工况的模态计算，通过将正常水位工况下渡槽结构的自振频率与用HHT［5－7］方法得到的辨识结果进行对比、分析，证实了FSI系统模型的适用性，结果精度较高，可在实际工程抗震设计计算中推广应用；最后利用基于FSI系统的有限元模型对景电工程渡槽结构进行了动力响应谱分析，其计算结果可为该工程的后期改造、加固提供理论依据。
充液管道流固耦合对称方程的振型分解法
５ １
用 于计 算 管流 问题 还只 有 ５年左 右 历史 ，并被认 为与 实验 吻合 得较 好 】 在文 献 【０ 中又把 它推 加． １】
广 用 于流 固耦 合计 算 （ 采用 位 移 一压 力组合 ） ．对 于瑞 利 阻尼有 ：
ｘｒ ＣＸ
ｊ
）｛ ≠ ＝ ：
ｔ（ ｔ（＝ｘｒ，ｚ ＝ ２， ｆ ２ Ｘｔ 』 （ ）， １， ） ｋ ＋ ） ：ｚｄ ｋ ， … ｆ ３
ｘ ∑ｘｔ Ｊ） ＝ ｊ） （ （Ｘ ｚ
（） ５
∑ｎ ｆ Ｊ） （ｘ（～ （ ；） ｒ ， （ （ ＋ ｆ ） ｆ （ ＝（ｆ ） ｚ ） ｚ ｘ ） ｚ ｚ） ｘ
（） ６
～
Ｉｊｍ ｊｊ Ｔ Ｊｘ Ｔ ＇ｚ ｘ 城 （Ｘ Ｘ＋厂 —ｊ Ｅｊ ＝ ｘ Ｔ ￣ Ｘ Ｘ Ｘ） ｄ
ｆ Ｎ 一 Ｔ Ｊ 兰 Ｊ ｘ Ａ ｍ ｄ 一 Ｍ ｊ ＝ Ｔ』 Ｘｚ
（ ７ ）
（ ８ ）
．
ｆ
（ ｒ ｌｄ ｆ Ｆｕ ） ｏ ｉ
（） ９
兰 １
（，ＰＰ ， ／） ０ ｐ ．
维普资讯
杨 柯 ：充 液管 道 流 固耦 合对 称 方程 的振 型 分解 法
ｃ
卜）
１ （Ｒ ） ｅ ） ＋２ Ｋ Ｉ Ｅ ， （ ＝ 一 。 Ｒ ）（ ） Ｖ（ Ｋ Ｉ Ｅ ２ ｅ （ａｂ ４＇ ）
ｒ为与 外部 激励 相关 的 已知项 ，本 文 中设其 同时为 坐标 和 时间 的函数 ｒ ｒ（ｆ ， 分 别 为流体 ＝ ｚ） ，． ，
＝
２模 态迭加
（ ａ ｂ） ２．
收稿 日期 ： ２０ ． １０ ０ ７０ ．８
作者简介：杨 柯（９ ４ ） １５ ． ，男，湖南长沙 人，教授，博士 ，研究方 向：工程 结构冲击与振动
U型埋管三维非稳态流固耦合传热模拟研究
（ 青岛理工大学 环境与市政工程学院 ， 青岛 ２ ６ ６ ０ ３ ３ ）
摘
要： 建立三维流固耦 合传 热模 型 ， 模拟 了放热工况下双 Ｕ 型管与土 壤的传热 ， 得到 双 Ｕ 型管水平 和竖直
方 向上 的温度分布特点 ， 并获得了双 Ｕ型管 的单位井深换热量 随时间的变 化规 律． 关键词 ： 土壤源热泵 ； 流 固耦合传热 ； 双 Ｕ型管 ； 非稳 态温度场 中图分 类号 ： Ｔ Ｕ８ ３ １ 文献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３ — ４ ６ ０ ２ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ２ — ０ ０ ７ ９ — ０ ７
土壤源热泵系统因为高效、 环保 、 节能等特性 日益受到人们广泛的重视 ， 而应用和推广土壤源热泵的关 键技术之一是解决地埋管与土壤之间的传热问题［ １ ］ ． 笔者对双 ｕ型地埋管换热器的传热过程进行 了分析， 采用数值模拟方 法建立考虑 流固耦合传热 的三维模型 ， 对地埋 管换热器 放热工况进行 了非稳态 的模 拟分 析．
第 ３ ５卷第 ２ 期
Ｖｏ １ ． ３ ５ Ｎｏ ． ２ ２ ０ １ ４
青 岛 理 工 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｑｉ ｎ ｇ ｄ ａ ｏ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｕ型 埋 管 三维 非稳 态 流 固耦 合 传 热模 拟研 究
２ 建 立双 Ｕ型 管 数 值 模 型
由于 Ｕ 型 管地下 换热 器传 热过程 非 常复 杂 ， 为 了获得 更 具普遍 性 的结果 ， 对模 型作 如 下简化 ： １ ）土壤 和 回填 土各 自都是 均 匀 的 ；
管道系统流固耦合分析与优化
管道系统流固耦合分析与优化随着科学技术的不断发展和对工程领域的要求日益提高，管道系统的流固耦合分析与优化成为一个重要的研究领域。
在石油、化工、能源、航空航天等领域中，管道系统的设计、运行和维护都需要进行流固耦合分析与优化，以保障系统的安全和效率。
流固耦合是指管道系统中流体流动与固体结构相互作用的过程。
在管道系统中，流体流动会对固体管道产生压力、液动力、摩擦力等力的作用，而固体管道的变形和振动会对流体流动产生影响。
因此，流固耦合分析可以帮助工程师深入了解管道系统的性能，进而优化设计和改进操作方法。
在进行流固耦合分析时，我们需要借助数值模拟和实验测试两种方法。
数值模拟是一种经济、高效的手段，可以通过计算流体流动和固体结构的数学模型，获得流体力学参数和固体结构的响应。
常用的数值模拟方法包括有限元法、计算流体力学方法等。
而实验测试则是验证数值模拟结果的重要手段，可以通过实验室测试或者现场监测来获取真实的数据。
在管道系统的优化过程中，我们可以从以下几个方面入手：1. 系统结构优化：对于复杂的管道系统，我们可以通过添加或删除支架、改变支架位置等方式来减少结构的变形和振动，从而提高系统的稳定性。
2. 流体参数优化：通过调整流体的流量、速度、压力等参数，可以减小流体对固体的作用力，减少对管道系统的破坏。
3. 材料选择优化：不同的材料具有不同的强度、刚度和耐磨性等性能。
选择适合的材料可以减小管道系统的变形和振动，提高系统的使用寿命。
4. 动态响应优化：在管道系统的运行过程中，考虑到流体流动和固体结构的动态响应，可以采取措施来减小系统的共振现象，避免系统损坏。
总之，管道系统的流固耦合分析与优化是保障系统安全和效率的重要手段。
通过对流体流动和固体结构相互作用的深入研究，可以优化设计、提高性能，并保证管道系统的正常运行。
未来，随着技术的不断进步，我们可以预见，在管道系统流固耦合分析与优化领域将会有更多创新和发展。
充液管路流固耦合振动研究进展
充液管路流固耦合振动研究进展
樊泽明;傅殿玉
【期刊名称】《西安工业大学学报》
【年(卷),期】2013(000)005
【摘要】根据充液直管和弯管管路在空间放置和运动形式分为固定水平放置、固
定空间某一位姿放置和空间运动等几种类型。
针对充液管道线性、非线性流固耦合振动模型及其振动分析方法，总结归纳文献[1-2]综述之后学者的相关研究成果，
梳理当前的研究进展，提炼今后的发展方向。
目前对固定水平放置的直管和弯管的耦合振动模型及其分析方法已趋成熟，对固定某一位姿的直管和弯管也得到了较为充分的研究。
对在支承条件下受外界周期激励时的管路振动模型及其分析方法研究成为了研究热点。
对管路随被支撑系统的复杂空间运动的振动模型及其分析方法研究极少，这类管路将具有更丰富更复杂的振动行为，尤其值得更深入的研究。
【总页数】8页(P345-351,382)
【作者】樊泽明;傅殿玉
【作者单位】西北工业大学自动化学院，西安710072;西北工业大学自动化学院，西安710072
【正文语种】中文
【中图分类】TV134
【相关文献】
1.基于流固耦合的线性充液卡箍管路振动研究 [J], 孙欢
2.充液管路沿管壁传递的振动加速度测试方法研究 [J], 范昕
3.船舶充液管路振动响应计算与试验 [J], 吴江海;尹志勇;孙凌寒;孙玉东
4.充液管道中弯头流固耦合振动分析数学建模研究 [J], 钟永恒;钟易成;田野;邓君湘
5.周期支撑充液管路轴向振动特性分析 [J], 吴江海;尹志勇;孙玉东
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流固耦合分析基础
流固耦合分析基础流固耦合分析是指通过数值模拟方法来研究流体与固体之间的相互作用和耦合效应的分析技术。
它综合考虑了流体和固体两种介质之间的物理、化学、力学以及耦合效应等因素，可以更准确地预测工程结构在复杂载荷下的响应和性能。
本文将介绍流固耦合分析的基本概念、数值模拟方法以及应用领域等方面。
流固耦合分析的基本概念主要包括两个方面，即流体力学和固体力学。
流体力学研究的是液体和气体等流体在力的作用下的行为，主要涉及流体的运动、压力、速度等参数；而固体力学研究的是固体材料在力的作用下的行为，主要包括应力、应变、变形等参数。
流固耦合分析则是将这两个方面结合起来，研究流体与固体之间的相互作用和耦合效应。
在流固耦合分析中，数值模拟方法是非常重要的工具。
常用的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法和边界元法等。
有限元法是一种广泛应用的方法，主要适用于固体力学问题，它将结构离散成有限个小单元，并利用单元之间的接缝来模拟固体的力学行为。
有限体积法则更适用于流体力学问题，它将连续介质离散成有限个小控制体，并利用控制体之间的通量来模拟流体的运动行为。
边界元法则是将结构以及其周边的无穷域分为界面和域两个部分，只在界面上求解，要求边界积分方程的解与物理意义相关。
流固耦合分析的应用领域非常广泛。
在航空航天工程中，流固耦合分析可以用于研究飞行器的空气动力学特性，如气动载荷和机翼变形等。
在能源领域，流固耦合分析可以用于优化核电厂的冷却系统设计，以及研究水力机械的流体力学特性。
在交通运输领域，流固耦合分析可以用于优化汽车的外形设计，以及研究火车列车的气动性能。
在海洋工程领域，流固耦合分析可以用于研究海洋平台的动力特性，如浮筏的运动响应和海底管道的受力分析等。
综上所述，流固耦合分析是一项重要的工程分析技术，可以帮助工程师更准确地预测和优化结构在复杂载荷下的响应和性能。
它涉及了流体力学和固体力学等多学科的知识，以及数值模拟方法等研究工具。
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图 4 充液前后管道的变形状况(相对变形放大 15 倍) Fig.4 Pipe’s deformation before and after charged (15 times amplification of the relative deformation) 图 2 不同状态下管道的固有频率 Fig.2 The natural frequency under different condition
Fluid-Solid Coupling Analysis of the U Shape Fluid Conveying Pipe
ZHANG Jie LIANG Zheng HAN Chuan-jun
(School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China) Abstract: The numerical model of U shape fluid conveying pipe was established based on the fluid-structure interaction theory in ADINA. The fluid-solid coupling modal analysis was done, and the influence of wall thickness on the U pipe’s natural frequency was studied. The charging process of U pipe was simulated, the effects of liquid acceleration and wall thickness on displacement and stress were studied. The results indicated that pipe's natural frequency increases with the increasing of modal order. The pipe's natural frequency with no coupling is greater than fluid-solid coupling state, and the natural frequency increases with the increasing of the wall thickness. The maximum stress appears in the corner of the pipe. The stress and displacement of the pipe increase with the increase of liquid acceleration, and decrease with the increase of wall thickness in the charging process. No matter how much liquid acceleration, the pipe displacements remain unchanged after charged. Key words: u-pipe; fluid-solid coupling; modal analysis; natural frequency; displacement; stress
究了变截面管道的流固耦合振动特性；文献[4] 根据 Hamilton 原理推导了两端简支输液管道流 固耦合自由振动变分方程，并求解了自由振动的 固有频率、临界速度和临界压力；文献[5] 通过 ADINA 软件对垂直提升管道的输送过程进行了 流固耦合分析； 文献[6]采用 C++语言编制了冲流 管道单向流固耦合数值模拟程序；文献[7] 应用 ANSYS 分析软件对输流管道在不同约束条件下 进行了流固耦合动力学模拟和模态计算； 文献[8] 通过软件仿真和实验研究了非定常流激励下充 液管道的振动特性。 现有文献对充液过程中 U 型管路振动特性 的研究较少，如文献[9]只研究了流体脉动特性 对管道基频的影响，文献[10]利用 ANSYS 软件 对多跨Ｕ形换热器的固有频率进行了计算， 但未 考虑流体的耦合作用。本文基于流固耦合原理， 对Ｕ型管在充液状态下的流固耦合固有频率进 行了计算， 并首次研究充液加速度和壁厚对管道 位移和应力的影响。
Fig.1
图1
U 型管道示意图
在大多数的应用中，取 α=1。上式中 t+t 时刻的速度和加速度可以分别采用位移未知量 来表示，即 1 1 vt t dt t dt vt 1 dt t a t t (6)
The schematic diagram of U pipe
3 U 型管道有限元模型
本文研究的 U 型管道结构如图 1 所示，图 中：管道外径 D=0.2m，壁厚 h=0.01m，中间直 管长 L=8m，两端直管长 L1=0.5m，圆角处轴线 半径为 R=0.25m，竖直管长 L2=1.5m。管道材料 弹性模量 E=167GPa， 泊松比=0.3， 管道内流体 3 密度=1000kg/m ，流体粘度为=0.001Pas。
式中：df 为流体位移；ds 为结构位移；f 为流体 的应力；s 为结构的应力。 根据动力学条件， 在流固耦合界面上将流体 的分布力积分为集中力并施加到结构节点上， 该 积分公式为
流固耦合系统中的有限元方程表示为
F [ X , d ( X )] F[ X ] f f s s Fs [ X s , f ( X f )]
为研究充液过程对管道力学性能的影响规 律，设定 A 点处道内流体的速度在 0.5s 内达到 最大 20m/s，其变化规律为
0 T 0.5 40T， V 20，T 0.5
(11)
式中：V 为流速；T 为充液时间。 计算得到管道充液前后的变形如图 4 所示。 由图可知：整个管道在 x 方向的变形较大；中间 直管段在 z 方向的变形也较大， 而在 y 方向的变 形较小。
4 管道模态分析
通过对无耦合和流固耦合状态下管道进行 模态分析， 得到两种状态下的管道前20阶固有频 率变化曲线（图2） 。随着模态阶数的增加，管道 的固有频率逐渐增大； 无耦合时的固有频率大于 流固耦合计算结果， 主要是由于液体作为附加质 量降低了管道的固有频率， 但是液体不会影响管 道的模态振型。因而，对于充液管道，考虑管内 流体与管道间的耦合计算结果更为精确。 这与文 献[12]中对垂直提升管道的研究规律相同。
] 0 和 G [ s, s , ] 0 表示。 其中： f 为 Gf [ f , f s s
为 f 的一阶导数； s 为结构变量， 流体变量， f
分别为 s 的一阶和二阶导数。流体的速度 和 s s
和加速度可以表示为
vt t
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
at t
d t t d t vt t vt 1 (4) t v v t t t at t at 1 (5) t
U 型充液管道的流固耦合分析
张杰 梁政 韩传军
(西南石油大学机电工程学院 610500 成都)
摘要：基于流固耦合原理，在 ADINA 软件中建立了 U 型充液管道的有限元模型，对其进行流固耦合 模态分析，研究了壁厚对管道固有频率的影响。并对简支 U 型管道的充液过程进行了数值仿真，研究 了充液加速度和壁厚对管道位移及应力的影响。结果表明，随着模态阶数的增加，管道的固有频率逐 渐增大；管道在无耦合时计算的固有频率大于流固耦合状态，管道固有频率随壁厚的增加呈非线性增 加； 充液过程中 U 型管道的最大应力出现在弯头处； 充液过程中管道的位移与应力随充液加速度的增 大而增大，随壁厚的增大而减小；但无论充液加速度多大，充液后管道的最终位移基本相同。 关键词：U 型管道；流固耦合；模态分析；固有频率；位移；应力 中图分类号：TB123; O351 文献标识码：A DOI：10.11776/cjam.32.01.A034
采用壳单元建立管道模型， 并用 4 节点单元 进行划分；对整个 U 型管内流采用 8 节点六面 体单元进行网格划分。对整个模型施加重力载 荷，重力加速度为 9.8m/s2。在管道的 A 点施加 固定约束， Q 点约束 x 方向以外的各个方向的变 形，其余各点(B、C、E、F、P)均不施加任何方 向的约束。
收稿日期：2013-12-11 修回日期：2014-08-05 基金项目：国家自然科学基金（51004083） 第一作者简介： 张杰， 男， 1987 年生， 西南石油大学机电工程学院， 博士生；研究方向——机械设计与仿真。 E-mail: longmenshao@。 通讯作者：梁政，男，1960 年生，西南石油大学机电工程学院，教 授；研究方向——机械设计方法及理论研究。 E-mail: liangz_2242@。
2 流固耦合数学模型
对充液 U 型管道进行计算时，流体作用力 引起了管道变形，而管道变形又影响了流体区 域， 因而需要对其进行流固耦合分析。 流固耦合 [11] 边界运动学条件（位移协调方程）为
at t
1 dt t dt t 2 1 1 vt 2 at 1 t dt t b t
为研究管道壁厚对其固有频率的影响， 对不 同壁厚管道在无耦合和流固耦合下的模态进行 了分析，其1、3、5、7阶的固有频率变化如图3 所示。 随着壁厚的增加， 管道的固有频率逐渐增 大， 并呈非线性趋势变化， 且增长率随壁厚的增 加而逐渐降低。
图 5 为管道上 B、E、Q 三点的位移随时间 变化过程。由于 B 点靠近 A 点固定端，其位移 变化较小；E、Q 点的变化规律相同，Q 点处的 位移变化最大； 且均在 0.56s 时位移达到最大值； 整个充液过程中管道呈现波动状态， 即使是流速 达到稳定值后， 管道位移也呈现波动， 但振幅逐 渐衰减，2.5s 以后趋于稳定。