基于ANSYS的输流管道流固耦合特性分析_喻萌

0.002 0.230E7 0.585E-5 0.149E8 0.231E7 0.470E-5 0.147E8
0.4
19.7
1.3
0.003 0.373E7 0.145E-4 0.250E8 0.375E7 0.831E-5 0.244E8
0.5
42.7
2.4
0.004 0.930E6 0.507E-5 0.586E7 0.898E6 0.192E-5 0.554E7
速度 、管壁的变形位移 、应力以及固支点的节点反 作用力均有较大的振荡 , 但随着瞬变量变为稳定 量 , 输流管道的这些参数很快收敛并趋于稳定 。
4 流固耦合模态分析
模态分析可以确定一个结构的固有频率和振 型 。 下面 取 管路 系 统 中 一长 2 m, 内 径 为 200 mm, 壁厚为 10 mm, 密度为 7.8 ×103 kg/m3 , 弹性
第 2卷
2)通过对管道两种约束方式的仿真比较 , 可
以看出 , 中间也加固支约束比只在两端固支约束
管壁变 形 位移 小 1.0% ～ 72.4%, 管壁 应 力 小
0.9% ～ 13.7%, 管内流体的压力也有不同程度的
变化 。
3)流体 瞬变对 管道影响 较大 , 管 壁产生 变
形 , 支点产生较大的反作用力 , 这对管路系统的安
∑ ∑ ∑ ∑ 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 。
管段长度为 5 m, 内径为 0.20 m, 壁厚为 18 mm。 弹性模量为 210 GPa, 泊松比为 0.3, 密度为
图 1 管道进口速度变化历程图
7 800 kg/m3。 管内流为水 , 密度 1 000 kg/m3 , 动 力粘性为 1.005 ×10-3 Pa· s。 采用轴对称模型 , 将流体单元 FLUID141的 KEYOPT(3)选为轴对 称方式 , 建模时采用二维建模 , 固体边壁采用 Solid42。 本次分析流体划分 2 000个单元 ;固体 400 个单元 。 网格示意图如图 2所示 。 对管道采用两 种约束方式 :一种是只在管壁两端施加零位移约 束 (以下称方式 1);另一种在管道中间位置也加 零位移约束 (以下称方式 2)。两种约束方式下管 道仿真结果对比如表 1所示 。 两种约束方式下管 壁特征点径向位移 、应力及固支点反作用力历程 图如图 3 ～图 5所示 。
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
0.2
55.6
4.3
0.023 -0.429E7 0.121E-4 0.289E8 -0.423E7 0.889E-5 0.280E8
1.4
-26.5
3.1
0.024 -0.340E6 0.103E-5 0.215E7 -0.304E6 0.104E-5 0.204E7 10.6
1.0
5.1
0.025 0.171E7 0.402E-5 0.114E8 0.172E7 0.381E-5 0.113E8
8.0
0.014 0.470E5 0.182E-5 0.609E6 0.562E5 0.629E-6 0.485E6 19.6
65.4
13.7
0.021 -0.336E7 0.733E-5 0.222E8 -0.343E7 0.705E-5 0.221E8
2.1
3.8
0.5
0.022 -0.447E7 0.225E-4 0.303E8 -0.446E7 0.100E-4 0.290E8
1 引 言
管道系统作为一种最有代表性的流体输送系 统 , 广泛应用于众多工业领域 。 但管路系统工作 过程中不可避免地会出现由于各种原因而产生的 非定常流动 , 特别是有压输流管道 , 由于组成系统 的某一元件工作状态的变更或受外界干扰 , 将导 致管道内流体出现非定常流动 , 严重时会产生称 为水锤的极端水力现象 , 而流体的非定常流动势 必导致管道的结构变形甚至振动等 , 反过来管道 结构的变形也将影响流道内流体的流态 。 这种流 体与结构相互作用的现象称为流固耦合 。 流固耦 合引起系统的振荡 , 降低系统运行可靠性 , 恶化工 作环境 , 影响仪 器仪表精度 , 导致管道 结合部渗 漏 , 严重时使管道爆裂或系统失效 , 从而造成大的
事故 [ 1] 。 本文应用有限元软件 ANSYS模拟输流管道
在不同约束条件下由于阀门作用而引起流固耦合 的现象 , 并对输流管道 进行流固耦 合模态分 析 。 计算结果表明 , 流固耦合作用对输流管道系统的 运行有重大影响 , 验证了输流管道考虑流固耦合 的必要性 。
2 流固耦合的有限元方程
流固耦合的有限元方程 [ 2] 为 : AU· +BUU+CP+DU =E+F
7 33.71
0.8 29
3
33 2.47
62 1.3 7
0.53 5
608.5 9
7 33.71
0.8 29
4
51 6.33
62 1.3 7
0.83 1
614.7 6
7 33.71
0.8 38
3 流固耦合动力学分析
取输流管路系统中的一段直圆管为模型 , 应 用 ANSYS进行仿真计算 。 通过改变进口速度边 界条件来模拟管道在输流过程中阀门开关引起的 过渡过程 , 设置流体进口速度在 0.003 s内由 0线 性升到 2 m/s(开阀 )和由 2 m/s线性降到 0(关 阀 )[ 3] , 如图 1所示 。
0.6
5.2
0.9
0.026 0.123E7 0.817E-5 0.820E7 0.116E7 0.245E-5 0.731E7
5.7
70.0
10.9
0.040 0.448E5 0.188E-5 0.470E6 0.600E5 0.857E-6 0.460E6 33.9
54.4
2.1
56
中 国 舰 船 研 究
第 5期
喻 萌 :基于 ANSYS的输流管道流固耦合特性分析
57
模量为 2.1 ×1011 Pa, 泊松比为 0.3, 声速为 1 460 下管道的前 5阶固有频率和相应振型 。 表 2列出
m/s的直管段进行模态分析 。 分别计算在管道两 了各种情况下管道的固有频率 , 图 6、图 7为两种
端及中间施加约束 , 考虑和不考虑流固耦合情况 约束方式下考虑流固耦合时前 2阶模态振型图 。
析 , 得到输流管道在不同约束方式下管壁特征点径向位 移 、应力 与固支点 反作用力 历程图 、固有 频率及 振型 ,
计算结果对优化管道系 统和维护管道系统运行有一定的指导意义 。
关键词 :输流管道 ;流固耦合 ;动力学分析 ;模态分析
中图分类号 :U664.84 文献标识码 :A
文章编号 :1673 -3185(2007)05 -54 -04
GU =H
[
M]
{.δ.}+[
C]
·
{δ}+[
K] {δ} ={P}
式中 , U=[ uvw] T;U、P分别表示由全域各 节点
压力所组成的列矢量 。
收稿日期 :2007 -07 -16 作者简介 :喻萌 (1980 -)女 , 硕士 , 助理工程师 。 研究方向 :船舶保障系统 。 E-mail:dzwmy@sohu.com
表 1 两种约束方式下管道仿真结果对比
时间 /s
管道两 端固支
Pmax1 /Pa
Smax1 /m
σmax1 /Pa
管道两端及中间固支
Pmax2 /Pa
Smax2 /m
σmax2 /Pa
(Pmax2 Pmax1)/ Pmax1 /%
(Smax1 Smax2 )/ Pmax1 /%
(σmax1 σmax2)/ σmax1 /%
表 2 管 道固有频率
管道两端固支
管道两端及中 间固支wenku.baidu.com
阶次
考虑流固 耦合 不考虑流固耦合
/Hz
/Hz
影响系数
考虑流固耦合 不考虑流固 耦合
/Hz
/Hz
影响系数
1
23 4.32
29 6.2 7
0.79 1
333.8 2
7 33.71
0.4 55
2
23 4.32
29 6.2 7
0.79 1
608.5 8
全运行有不可忽略的影响 , 因此对输流进行流固
耦合数值模拟十分必要 。通过采用合理管道约束
图 2 管壁及流体的网格图
方式以及操作方式 , 以减小输流管道瞬变过程中
由上述对输流管道流体瞬变过程的仿真结果 管壁变形 、流体压力振荡及管壁应力振荡 。
分析表明 : 1)管道在流体输送瞬变过程中流体的压力 、
第 2卷 第 5期 2007年 10月
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
第 5期
喻 萌 :基于 ANSYS的输流管道流固耦合特性分析
55
各总系数矩阵由全域各单元相应的系数阵按
统一的方式迭加而成 , 即
∑ ∑ ∑ ∑ A=
Ae =
Aαβ , B =
Be =
Bi αβγ
∑ ∑ ∑ ∑ C =
Ce =
Ci αβ , D =
De =
DiK αβ
∑ ∑ ∑ ∑ E = Ee = Ei α, F = Fe = Fi α
AnalysisonCharicterasticsofFluid-structureInteractionfor FluidConveyingPipesbyANSYS
YuMeng ChinaShipDevelopmentandDesignCenter, Wuhan430064, China
Abstract:Theunsteadyflowofpipingsystem presentsunacceptableinteractionsespeciallyinpressuredpipeswithfluid.Thestructuraldeformationandvibrationswilloccurandtheflowinginthe pipeswillbeaffected.Thefluid-structureinteractionswasthereforeanalyzedandsimulatedbyFE ANSYSwiththeaimtoaddmoreunderstandingtothedynamicscharacteristicsofthefluidconveying pipe.Themodalanalysisofthepipewasalsoconductedunderdifferentconstraintconditions, the resultsoftheanalysesassociatedwiththeradialdisplacementofpipewallpoint, aswellasthetime historycurveofstress, pivotreactingforce, inherentfrequencyandmodesoftheconveyingfluid wereobtainedasshowninthispaper.Withtheseresultsofanalyses, aguidancefortheoptimization designofthepipingsystemandthepipemaintenanceisprovided. Keywords:fluidconveyingpipe;fluid-structureinteraction;dynamicanalysis;modalanalysis