流固耦合對輸液管道動力學(xué)特性的影響

1波紋管動力學(xué)特性波紋管作為一種輸液管道，在建筑、化工、冶金、能源、水利、航空、原子能等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。管徑的不斷變化,使得薄壁彈性大、易變形、剛度差、常被用于管路系統(tǒng)的連接件,也用于管路熱補(bǔ)償、隔振、降噪。由于其幾何特征的復(fù)雜性,以及管內(nèi)充滿著流動的液體或者氣體介質(zhì),使得管道產(chǎn)生了復(fù)雜的流固耦合或者氣固耦合動力學(xué)特性。目前,對波紋管的設(shè)計,通常只考慮靜態(tài)特性。隨著工業(yè)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的不斷提高,要求在波紋管的設(shè)計、制造、安裝和使用各階段都要全面考慮靜、動態(tài)特性。因此,波紋管動力學(xué)特性的研究成為了振動領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)問題。由于波紋管結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,多采用數(shù)值分析方法。例如,利用ANSYS軟件對波紋管進(jìn)行了模態(tài)分析,求出了其固有頻率和振型,分析波紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)對動力學(xué)特性影響的規(guī)律。上述研究中均為忽略了流體對結(jié)構(gòu)的耦合作用,不能真實反映出結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性。部分學(xué)者考慮了流固耦合的作用,研究了直線式波紋管的動力學(xué)特性,分析了產(chǎn)生振動的機(jī)理。但文中并未詳細(xì)闡述流固耦合的處理方法。以折彎式波紋管為例,首先研究波紋管的有限元建模方法,其次數(shù)值研究流固耦合對波紋管振動特性的影響。2折彎波紋管模型的建立2.1基準(zhǔn)直徑、長度、管道長度和管道連接端厚度波紋管為折彎式,長度為0.18m,折彎處圓角半徑是0.02m,基準(zhǔn)直徑為0.01m,波動幅度為0.003m,波紋數(shù)17,管壁厚度為0.001m。管道兩端圓管作為管道連接端,長度為0.02m,管壁厚度仍為0.001m。Pro/E中的實體模型,如圖1所示。2.2導(dǎo)入pro/e模型為了方便快捷的對波紋管填充流體,則需將上述建立的Pro/E波紋管模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中,導(dǎo)入方法有兩種:(1)在ANSYSWorkbench環(huán)境下,直接調(diào)入Pro/E的模型文件(格式為IGES)。但是模型特征繁多或結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時,導(dǎo)入的模型很可能產(chǎn)生模型破裂、丟失部分面等情況,直接影響模型后續(xù)分析的準(zhǔn)確性。如圖2所示,折彎處有模型破損。(2)通過無縫連接功能導(dǎo)入Pro/E模型該方法使得模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換快捷、完整。并在ANSYSWorkbench中利用填充功能,創(chuàng)建流體模型,填充流體后的波紋管模型,如圖3所示。3網(wǎng)格局部加密雙向流固耦合分析是考慮固體變形和流場變化相互影響的分析。對于波紋管,流場與固體接觸面是復(fù)雜的曲面,為了避免流場網(wǎng)格的變形錯誤導(dǎo)致計算結(jié)果不準(zhǔn)確或者計算過程不收斂,采用ANSYSICEM網(wǎng)格劃分技術(shù)對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在生成網(wǎng)格時,技術(shù)可實現(xiàn)邊界層網(wǎng)格自動加密、區(qū)域網(wǎng)格局部加密等,最關(guān)鍵的是能夠使流體和固體的單元節(jié)點(diǎn)匹配,使得多場求解器MFS和MFX都能很好地完成流體計算結(jié)果和固體計算結(jié)果的數(shù)據(jù)傳遞,提高流固耦合分析的精度。對于流體和固體接觸面單元來說,如果使用四面體單元,則由于四面體單元在某一特定方向拉長時,其數(shù)值求解特性會變差,計算誤差大,方程不易收斂,所以使用六面體網(wǎng)格可以大大減小計算誤差。采用自頂向下的建塊方法,分別建立了block1和block2。block1代表管道的塊,block2代表流體的塊,并且分別對波紋管和流體采用了O型塊,以提高網(wǎng)格質(zhì)量。特別注意的是,波紋管折彎處的六面體網(wǎng)格,由于這個位置是應(yīng)力集中比較大的地方,所以要對此部位要局部網(wǎng)格加密。整體波紋管網(wǎng)格效果圖,如圖4所示。波紋管縱向和折彎處的網(wǎng)格截面圖,如圖5、圖6所示。能夠更清晰的看到流體和管道單元接觸處節(jié)點(diǎn)的匹配性。4固有頻率的計算為了分析流固耦合對結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的影響,分別數(shù)值計算了不含流體的波紋管、含流體但無流固耦合的波紋管、有流固耦合的波紋管等三種情形的固有頻率,并對計算結(jié)果做比較。其中在計算流固耦合作用下波紋管的固有頻率時,一定要建立流固耦合面。因為是雙向耦合,所以選取流體網(wǎng)格中和管壁接觸的面上所有節(jié)點(diǎn),添加耦合標(biāo)簽FSI;同樣選擇管壁網(wǎng)格中和流體接觸的面上所有節(jié)點(diǎn),添加耦合標(biāo)簽FSI,流固耦合面設(shè)置成功,流體和固體的載荷可以在耦合面上進(jìn)行傳遞。4.1流固耦合單元結(jié)合波紋管的幾何結(jié)構(gòu)和材料的非線性特點(diǎn),波紋管選用Shell93殼單元,此單元特性符合波紋管非線性特征要求,而且可以用較少的單元數(shù)目很好的模擬波紋管的曲面形狀。流體和流固耦合面的單元類型選擇為FLUID30和FLUID29。管道材料為不銹鋼,流體材料為常溫下的水。具體參數(shù),如表1所示。4.2約束位移0在波紋管兩個端口的管壁環(huán)形面上施加全約束,約束位移為0。根據(jù)計算需要,對波紋管流體自由邊界處節(jié)點(diǎn)的壓力自由度值設(shè)置為0,其目的是使得流體邊界處節(jié)點(diǎn)處于靜壓力下。4.3流固耦合對管道固有頻率的影響利用子空間法進(jìn)行模態(tài)提取,計算前六階模態(tài),固有頻率。如表2所示。由表2可以看出相對于不考慮流固耦合以及空管的情況,考慮流固耦合時管道系統(tǒng)的各階固有頻率明顯降低,固有頻率平均下降18.2%,而相比較,對管道各階頻率的振形沒有太大影響。很多輸液管道工程分析和實際應(yīng)用中常常忽略流固耦合作用的影響,從而造成計算可信度和精確度的降低,從圖表中表明,流固耦合作用對系統(tǒng)的固有頻率影響較大,可見在輸液管道系統(tǒng)的仿真過程中考慮流固耦合效應(yīng)的重要性。5幾何模型的導(dǎo)入對于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的波紋管,采用Pro/E和ANSYSWorkbench混合方法建模是非常有效的。將Pro/E中的幾何模型以無縫連接方式導(dǎo)入ANSY