输流管道系统非线性流固耦合振动研究_熊禾根

输流管道系统非线性流固耦合振动研究_熊禾根
输流管道系统非线性流固耦合振动研究_熊禾根

[收稿日期]20060325

[作者简介]武汉科技大学 机械传动与制造工程 湖北省重点实验室开放基金项目(2005A13);湖北省教育厅科研资助项目(B200611007)。 [作者简介]熊禾根(1966),男,1987年大学毕业,博士,副教授,现主要从事机械设计与理论、现代设计方法、智能设计制造

执行系统等方面的研究。

输流管道系统非线性流固耦合振动研究

熊禾根,李公法,孔建益杨金堂,蒋国璋,侯 宇,刘怀广 (武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081)

[摘要]管道在众多的工业领域中具有十分广泛的应用,发挥着极其重要的作用。围绕输流管道系统的非

线性动力学建模、非线性动力学分析方法和稳定性问题,简述了输流管道系统非线性流固耦合振动的最

新研究情况,并对今后值得进一步研究的某些问题作了分析和预测。

[关键词]输流管道;非线性;流固耦合;稳定性

[中图分类号]U 173;Q327

[文献标识码]A [文章编号]16731409(2006)02057403

输流管道耦合振动具有自激振动的特性,属于非线性动力学研究的重要内容。文献[1,2]的研究表明,输流管道的振动问题的物理模型简明,易于理解、设计和制造。其简单形式的控制方程蕴涵着丰富而复杂的动力学内容,同时也表明对这样问题的非线性动力学研究的必要性。随着数值计算技术、非线性理论与方法研究的不断深入和发展,在输流管道非线性振动方面发现了一些重要现象,主要包括:管道横向挠度引起的轴向拉力对其动力学特性的影响、定常流和振荡流作用下悬臂管的分岔与混沌行为、支承输流管的非线性振动稳定性以及振荡流导致的参数共振。

但是,由于管道流固耦合这一非线性问题的复杂性,还存在一些重要问题需要解决,如寻求更完善的输流管道的动力学建模理论与方法以及探索采用现代非线性动力学分析数值方法研究与揭示其非线性振动机理。笔者将围绕输流管道系统的非线性动力学建模、非线性动力学分析方法、稳定性等3个方面简述输流管道系统非线性流固耦合振动的最新进展情况,同时讨论尚需进一步研究的问题。

1 输流管道非线性动力学建模

由于考虑因素的侧重面不同,建立的管道流固耦合非线性动力学方程也有一定的差别。在实际应用中,管道内径远远小于管道长度,输流直管假设为梁模型是合理有效的。建立动力学方程都假定:流体为无黏不可压;管作为梁模型来处理;管在平面内振动;不计剪切变形和截面转动惯量的影响。

文献[3]采用H am ilton 变分原理导出了两端固支管的非线性动力学模型:

(m +M) u +M V +zM V u +MV u +MV 2u +M V u -EA u -EI (v v +v v )

+(T 0-P -EA )v v -(m +M )g =0(1)

(m +M) v +M V v +2M V v +MV 2v -(T 0-P)v +EI v -EI (3u v +4u v +2u v +v u

+2v 2v +8v v v +2v 3)(T 0-P -EA )(u v +u v +32

v 2v )=0(2)式中,V (t)为流速;E 为管道材料的弹性模量;A 和I 分别为管截面的面积和惯性矩;m 和M 分别为管道和流体的单位长度质量;上标 表示对时间的导数;上标 表示对坐标的导数;g 为重力加速度;u 和v 分别为管轴线的横向位移和轴向位移;T 0为固支管的轴向拉力;P 为其内的流体压力。

文献[4]综合Paidoussis 和Wigg er t 的管道动力学方程,忽略了管道泊松耦合的影响,提出了描述管道非线性流固耦合运动的4-方程模型:

W A p u z -(PA f ) -m f ( V f +V f V f )-mg z -m p u z =0(3) 574 长江大学学报(自科版) 2006年6月第3卷第2期理工卷

Journal of Yangtze University (Nat Sci Edit) Jun 2006,Vo l 3N o 2Sci &Eng V

EI u y +(PA f u y ) +m f ( V f u y +2V f u y +V 2f u y +V f V f u y )+mg y -m u y =0(4)

(PA f ) +m f c 2f (V f -2V f u z )=0

(5)

(PA f ) +m f (g y u y +g z + V f +V f V f +f V f |V f |/(2D))=0

(6)文献[5]在Euler -Bernoulli 梁理论和非线性拉格朗日应变理论的基础上,运用广义哈密顿原理推导出固支管的非线性耦合(横向位移和纵向位移)运动方程:

(m f +m p ) u +m f V (1+u )+2m f V u +m f V 2u -EA (u +32u u +12v v )-32

EIv v =0(7) (m f +m p ) v +m f V v +2m f V v +m f V 2v -12

EA (u v +u v )+EI (v +32u v +3u v +23

u v )=P (8)对该方程用Galerkin 方法进行离散,再在平衡位置领域内对离散了的方程进行线性化,就可以计算出此方程的固有频率。另外,对这些离散化了的非线性方程进行广义 积分(时间)可得出位移随时间变化的轨迹,而且该模型比Paidoussis 的方程更加合理。

文献[6]在利用H amilton 变分原理和描述变形体内流体运动的N -S 方程,建立了描述输流管道非线性流固耦合振动的控制方程,形成描述弱约束管道、输送可压缩流体、具有定常或非定常流动状态系统的非线性4-方程模型。该模型是建立在4个独立变量(轴向位移、横向位移、流速和压力)基础上的全耦合模型,耦合形式包含了摩擦耦合、Poisson 耦合、结合部耦合以及管道轴向和横向运动的耦合。在目前众多的非线性分析模型中,是较为完整的一个模型。

2 非线性流固耦合的非线性动力分析方法研究

输流管是一种用途广泛的工程结构,为了充分认识该系统所蕴涵的丰富的动力学机理,为了全面深入研究流固耦合的管道系统非线性动力学特性,只能依赖于非线性动力分析的现代方法。目前非线性动力学分析使用的主要方法有:中心流形约化方法(center m anifold reduction m ethod);正规化方法(the method of no rmal forms);参数演化方法(the metho d of unfolding param eters);平均化方法(the method o f av er ag ing)以及Ly apunov -Schmidt 约化方法(the method of Lyapuno v -Schm idt reduction)等。中心流形约化方法是为了使原动力系统降维。正规化方法的目的不是降维,而是化简其中的非线性项,减少系数。参数演化方法和前面两个方法不同,它是着重研究系统参数的微小变化对运动特性的影响,这对于弄清参数临界值相应运动的稳定性有重要作用。当状态变量和参数变量的维数都较高时,运动方程的求解难度会大大增加。Lyapunov -Schmidt 约化方法也是一种降维处理技术,它的适用范围较广[1,2,7]。

3 输流管道的动力稳定性研究

文献[8,9]研究了非保守管路系统(两端支承)的稳定性,发现系统除具有一般的叉形分岔失稳外,还可能具有与模态耦合颤振有关的其他失稳形式,称为Paidoussis 后失稳形式。文献[10,11]研究了两端简支的输液管,采用Paido ussis 的管道振动方程无量纲形式,利用Galer kin 离散技术和中心流形理论研究了(二自由度系统)四维空间系统,证实了后失稳存在。进一步研究固支管道在奇点的稳定性时,发现奇点附近可能存在局部分岔,但极限环不存在,运动不稳定。这表明了输流管道系统属于屈曲失稳,输流管不会颤振,也不会出现混沌。其结论可以推广到无穷维系统。

而保守管路系统(悬臂管)稳定性取决于3个参数,即定常流速、管道和流体质量比、流体能量损失系数。当流速较小时(小于分岔临界流速),稳定是渐进的;流速的增加到某一值(临界流速)时系统出现分岔失稳;可以证明在临界流速处满足H opf 分岔条件,并用中心流形方法研究了分岔后周期解的特性[12]。后来,将二维问题扩展到三维问题,研究发现在任何情况下系统均有2个超临界分岔存在,且当流速超过临界值后,运动在平面内分为二枝,随质量比不同,运动可能由驻波通过叉形分岔成为行波,也可能通过鞍点分岔后驻波和行波共存。

575 第3卷第2期熊禾根等:输流管道系统非线性流固耦合振动研究

同时,阻尼对管道系统稳定性的影响也是一个关键因素,在管道参数共振作用下,阻尼虽然不能抑制响应的幅值,但可以改变系统稳定性区域的大小。文献[13,14]以具有粘弹性支承边界约束输流管为对象,研究了材料的各向弹性模量比值、管的细长比、管液质量比和剪切系数等对管道系统稳定性的影响。数值结果表明,这些参数对输流管的稳定性有较大的影响。同时,应用增量平衡法分析具有非线性弹性约束的粘性弹性输流管的振动问题,自由端具有非线性约束的悬臂输流管随着管口参数和流速的变化,系统会有3种失稳形式:静态分岔失稳、H opf 分岔失稳和倍周期分岔失稳。

输流管道非线性动力稳定性研究,以往以考虑流体作用下管道轴向、横向运动耦合非线性为主,即考虑流体运动对系统稳定性的影响,但未考虑管道振动状态的影响,耦合是不完全的。文献[15]以非线性耦合方程为对象,采用模态分解的方式分析了由非定常流引发的悬臂输流管非线性振动的稳定性问题,通过计算得到了前4阶模态运动的相图,悬臂输流管在一定的流速范围内,第一阶模态运动无奇点;第三阶以上模态运动具有相同的稳定性(但临界流速不同),奇点为焦点;第二阶模态运动具有较复杂的运动特性,随流速增加相继出现稳定和不稳定的极限环。

4 结 语

虽然输流管的线性振动研究历史并不短,但非线性振动和运动稳定性的控制却是近几年才起步,不少因素的影响还有待进一步的深入探索。

1)输流管道的非线性动力学建模与分析方法。复杂输流管的壳体系统的非线性动力有限元模型的研究是一个方向,其中研究内容应该包括多种流固耦合的因素,如壳壁附近流体粘性造成的影响,轴流和环境同时作用的影响,材料阻尼等因素的影响等。程序应该具有更广泛的通用性,易操作性。

2)力求从解决高维系统和提高计算精度两个方面去进一步寻求更有效的非线形动力学等分析方法。

3)随机激励下管道振动及分析方法。振荡流是一种扰动,它的变化带有随机性,因此将振荡流引起输流管道的振动看成是一个非线形随机激励系统,用概率统计的方法加以研究这类系统的随机分叉将更有现实意义。

[参考文献]

[1]Paidoussis M P,Li G X Pipes conveying fluid:a model dynamic al problem [J] Journal of Fluid and Struc tures,1993,(7):137~204

[2]黄玉盈,邹时智,钱勤等 输液管的非线性振动、分岔与混沌现状与展望[J] 力学进展,1998,28(1):30~42

[3]S emler C,Li G X,Paisous sis P M T he n on linear equ ations of motion of pipe conveyin g fluid [J] Journal of S ou nd and Vib ration,

1994,169(5):577~599

[4]Lee V,Pak C H ,H ong S C T he dynamic of a piping system w ith internal unsteady flow [J] J ou rnal of Sound and Vib ration,1995,

180(2):297~311

[5]Lee SI,Chang J New non -linear modelin g for vib ration analysis of a straight pipe conveying fluid [J] J ou rnal of Soun d and Vibra -

tion,2002,254(2):313~325

[6]张立翔,黄文虎 输流管道非线性流固耦合振动的数学建模[J] 水动力学研究与进展,2000,15(1):116~128

[7]Li G X,Paidouss is M P Stability,double degeneracy and ch aos in cantilevered pipes con veying fluid [J ] Internation al Journal of

Nonlinear M echanics,1994,29(1):83~107

[8]Paidoussis M P Fluid -structu re interactions (s len der structu res and axial flow )[M ] London:Academic Pres s,1998

[9]Paidoussis M P,Issid N T Dynamics stabili ty of pipes conveying flui d [J] Journal of Sound and Vibration,1974,33(2):267~294

[10]H olm es P J Pipes supported at b oth ends cannot flutter [J ] Journal of Applied M ech anics,1978,45:619~622

[11]Holm es P J Bifu rcation to divergen ce and flu tter in flow-induced oscillation s:a finite dimensional An alys is [J] J ou rnal of Sound and

Vib ration,1977,53(3):471~503

[12]Bajaj A K,Sethna P R H opf bifu rcation phen om ena in tub es carrying a fluid [J] SIAM Journal of Applied M ath ematics,1980,39

(3):213~230

[13]倪樵,黄玉盈 增量谐波平衡法用于输液管的非线性振动分析[J] 华中理工大学学报,2000,28(10):43~45

[14]倪樵,黄玉盈 正交异性输液管的振动与稳定性分析[J ] 华中科技大学学报,2001,29(3):95~97

[15]张立翔,黄文虎 输液管流固耦合非线性动力稳定性分析[J] 应用数学和力学,2002,23(9):951~960

[编辑] 洪云飞

576 长江大学学报(自科版)2006年6月

Vo l 3N o 2MAIN ABSTR AC TS

WU Zhao-fu (Jing zh ou I nstitute of T ech nolog y,J ing z hou434100)

Abstract:The paper studies cur rent P2P netw ork w ith pow er law and small w orld pr operty Based o n it,dev ise a architecture for the P2P netw ork,m ake sev eral mo difications to the existed proto-cols This P2P netw ork has less average shor test path leng th with better scalability and robustness Key words:small w orld property;P2P netw ork;average shortest path length

550Facial Feature Recognition Based Immu nity Algorithm and Support Vector Machine ZHOU Tian-ho ng (Yu nyang T eache rs College,Danj iang kou442700;W uhan Univ er sity,Wu han430072)

ZHANG Jiang-qing (Wu han Univ ersity,W uhan430072)

CAO Da-yo u (Yunyang Teac her s Colleg e,Danj iangkou442700)

Abstract:A m ethod for facial feature recog nition based on im munity algo rithm and suppo rt vector m achine is pro posed Because the learning suppor t v ector machine is an instructing learning,a nega-tive alg orithm is introduced T he negativ e result of facial feature is pro vided for the support vector m achine learning The co mplex ity of o peratio n is g reatly reduced T he result show s that com pared w ith other m ethod,the m ethod has a hig h reco gnition r ate

Key words:facial feature recognitio n;im munity algor ithm;support vector machine

556Simply Polygon Triangulation Algorithm Based on Minimum Distance

CAO Qing-long,LI Jun (Yang tz e Univ er sity,J ing z hou434023)

Abstract:The triangulation algor ithm based on minimum distance is a cor respo nding distance o f each apex of the po lyg on The distances are contrasted and based on the continuous m inimum dis-tance in turn After that,judging neighbo ring tw o apex rug ged topog raphy and chang ing the dis-tance of the junction point s consecutive point Except the concaving po int,it isn t necessary to judg e and calculate all points Therefor e,the result of triang ulation confor ms to the requirement completely;w hat s m ore,the style of net is somew hat good and co nform s to the empty circle principle basically

Key words:tr iangulatio n;poly go n;alg orithm

566Operational Management and Resource Scheduling for campus Grid

ZHANG Ya n-he,CH EN Zhong (Yangtz e Univ er sity,Jing zh ou434023)

Abstract:Cam pus grid is used fo r sharing the com putational resources in the campus netw orks for r educing cost to enhance the usage of the co mputational reso urces T he m anagement Softw are Sun Grid Engine(SGE)is intro duced into the gr id,the introduction o f SGE-supported computational r esources is w idely expanded T he scheduling stratig y o f itself is used to manag e the local r esources in the resour ce lev el It is combined w ith Glo bus T oolkit to integ rate the g rid level w ith resource lev-el closely in the campus grid After the job is submitted,SGE oper ation state info rmation is accu-rately reflected in the g rid level in rea-l time,by w hich the co mputatio nal resources ar e transparent to the user s in campus g rid

Key words:campus g rid;resource scheduling;Globus Too lkit;Sun Grid Eng ine

574Research on Nonlinear FSI Vibration of Fluid Conveying Pipes

XIONG He-g en,LI Gong-fa,KONG Jian-y i,YANG Jin-ta ng,JIANG Guo-zhang,H O U Yu,LIU H ua i-gua ng (W uhan Univ er sity of S cience and T ec hnology,W uhan430081)

Jo u rna l o f Ya n gtze Un ive rsity(N atu ral Scie n ce Editio n)N o 2 2006

Abstract:Pipes are w idely used in industry and play a quite important ro le So me recent research de-velopment on nonlinear FSI v ibration of fluid conveying pipes is review ed in this paper It fo cuses o n nonlinear dynamic m odeling theories,mo dern analy tical methods for so lving these dynam ic prob-lems and stability of fluid conveying pipes Finally the future trends and adv ances in this ar ea are dis-cussed

Key words:fluid conveying pipes;nonlinear;FSI;stability

577Research on Vibration Characteristics of Fluid-filled Pipelines

ZENG Guo-hua,KONG Jian-y i,LI Go ng-fa,YANG Jin-ta ng,XIONG H e-ge n,JIANG Guo-zha ng (W uhan Univ er sity of S cience and T ec hnology,W uhan430081)

Abstract:There are bro ad applications for the research on v ibration characteristics of fluid-filled pipeline fluid,w hich has very important function for the prog ress o f basic science theor ies and the developm ent of national economy,fluid-structure interaction,the resear ch on vibr ation characteris-tics in fluid-filled pipelines are studied,research methods and their application sco pe are ana-ly zed T hen the typical models of fluid-filled pipelines studied are explored These hav e certain refer-ence value w ith further research in the future

Key words:fluid-filled pipeline;vibratio n character istics;fluid-structure interaction;m odel

579Design of Control S ystem for Potable Oil Pipe Mark Printer Based on Micro-computer LI Kun-quan,ZHAI Qun-fang (Yang tz e Univ er sity,Jing z hou434023)

Abstract:A pneumatic m ark pr inter based o n m icro-com uter is discussed T he overall desig n o f the printer system and the implem entation of the contr ol sy stem are introduced in detail T he m odulus for inform ation input and the implementatio n of cor respo nding m otion are introduced em phatically, the open and close of soleno id valve are co ntro lled by pulse to co ntro l the printing pin Its cost is re-duced through the development of hardw are cir cuit,by w hich the vo lum e of printer is reduced and its stability is impr oved

Key words:micro-computer;step m otor;hardw are system;m ark printer

591Detection of Single-pile Vertical Bearing C apacity with Steady Mechanic Impedance Method

MAO Bin (S henz he n East Constr uction S up er v ision Co ,S hen zhe n518034)

LUO Rui-ping (Yang tz e Univ er sity,J ing z hou434023)

Abstract:T he pile-soil m odel is simplified to mass-spr ing elastic system w hich is under mechanical impedance fo rce impulse T he key for load-bearing capacity calculation is accurat for dynam ic stiff-ness testing When the calculatio n is m ade,accur ate calculating fo rmulae should be used for obta-i ning rapid and m ore accur ate results on the basis of testing data

Key words:static stiffness;dynamic rig idity;m echanical impedance m ethod;vertical bearing ca-pacity;limit settlement value

Translated&Edited by SU Ka-i ke(苏开科)

ansys流固耦合模态分析

有问题可以发邮件给我一起讨论xw4996@https://www.360docs.net/doc/e32799512.html, FSI流固耦合命令求解流固耦合问题 使用ANSYS计算结构在水中的模态时, FLUID29,FLUID30单元分别用来模拟二维和三维流体部分,相应的结构模型则利用PLANE42单元和SOL ID45等单元来构造,其中,PLANE42和SOL ID45分别是用来构造二维和三维结构模型的单元。FLUID30是流体声单元,主要用于模拟流体介质及流固耦合问题。该单元有8 个节点,每个节点上有4 个自由度,分别是XYZ上3个方向位移自由度和1个压力自由度,为各向同性材料。输入材料属性时,需要输入流体的材料密度(作为DENS 输入)及流体声速(作为SONC输入),流体粘性产生的损耗效应忽略不计。FLUID29是FLUID30单元在二维上的简化,少了一个Z向的位移。SOLID45单元用于构造三维实体结构。单元通过8 个节点来定义,每个节点有 3 个沿着XYZ方向平移的自由度。PLANE42是SOLID45单元在二维上的简化。 在利用ANSYS建模分析时,流场域单元属性分为2种,由KEYOPT(2)(指定流体和结构分界面处结构是否存在) 控制,在流固耦合交界面上的单元KEYOPT(2) = 0 ,表示分界面处有结构,其他流体单元KEYOPT(2)=1,表示分界面处无结构。流体-结构分界面通过面载荷标志出来,指定FSI label可以把分界面处的结构运动和流体压力耦合起来,分界面标志在分界面处的流体单元标出。 数值分析的步骤 1) 建立流体单元的实体模型。建立流体模型,需要确定流体域的范围,可以把无限边界流体简化成流体区域的半径为固体结构半径的10倍。 2) 标记流固耦合界面。选取流体单元中流固交界面上的节点,执行FSI 命令,流固耦合交界面的处理:流体与固体是两个独立的实体,在划分单元时在两者交界面上的单元网格要划分一致,这样在交界面上的同一位置一般就有两个重合的节点,一个节点属于流体单元,一个节点属于固体单元,这两个重合节点在交界面的位移强制保持一致。 3) 建立固体结构实体模型。建立固体结构模型,定义单元属性,采用映射方式进行网格的划分。 4) 施加约束条件。由于流体区域的尺寸远大于固体结构尺寸,故可以不考虑流体液面的重力的影响,将流体边界处的单元节点上施加压力(PRES) 为零的约束。因为选择的算例为悬臂结构,在固体结构底部加全约束。 5) 选择求解算法,进行求解。定义分析类型为模态分析,设定提取频率阶数和提取模态的方法。因为耦合问题的刚度矩阵,质量矩阵都不对称,需要采用非对称矩阵法(UNSYMMETRIC)求解。 6) 查看结果。进入后处理模块,查看结构模型的频率及振型。 以半浸没与水中的桥墩模态问题为背景,并假设: 1. 桥墩为实心等截面的实体,实际桥墩模型应该是空心壳体,截面尺寸也 非常复杂,因而需要分块划分单元。

调节阀-管道-流体系统流固耦合动态特性研究

调节阀-管道-流体系统流固耦合动态特性研究 摘要:针对调节阀-管道-流体系统的流固耦合问题,建立了考虑阀门定位器作用的系统动态仿真模型,给出了求解调节阀阀芯-阀杆系统响应的预估-校正算法和求解调节阀-管道-流体系统响应的流固耦合有限元方法,利用ANSYS 软件对系统在固定开度与变开度情况和流开型与流闭型情况下振动响应进行了 定性分析。研究表明:在给定压差下,管道以及流体流向对调节阀阀芯-阀杆系统的位移响应以及阀芯受到的流体不平衡力响应都有较大影响。 调节阀或称控制阀在冶金、电力、化工、石油等工业过程控制系统中起着重要作用。调节阀性能的提高往往因其振动问题而受到制约,在某些工况下产生的振动往往是引起各种事故的主要原因,振动严重时甚至引起阀杆断裂,影响机组安全平稳地运行。导致调节阀振动的主要原因是阀体内部流体流动的不稳定性。这种流体诱发振动的现象往往引起管道系统与工业过程控制系统的大幅振动与破坏。调节阀实际应用中往往出现这种情况,在出厂前不连接管道条件下进行的调节阀振动性能试验可以达到设计标准,但现场管网系统中使用的调节阀在运行过程中却在某些工况下发生剧烈振动。这是因为在实际工作环境中,调节阀振动不仅与阀体内部流体流动的不稳定性有关,而且通过流体与相连接的管道振动相互作用。为了解决这个问题,需要把调节阀、管道和流体作为耦合系统来考虑,通过分析耦合系统内部的相互作用,来研究其振动规律和机理。 关于调节阀-管道-流体系统中流固耦合相互作用的研究基本上分为两个方面:一方面,在管道动力学中,只侧重研究流体与管道流固耦合产生的流致管道振动,既使出现调节阀,也仅将其作为模拟阀门开关的流体扰动源或时变边界条件,而大多忽略调节阀自身的动态特性;另一方面,在调节阀动力学中,仅侧重研究调节阀内流体与阀芯流固耦合产生的阀芯-阀杆系统振动,而不考虑管道影响。将管道动力学与调节阀动力学结合起来,以调节阀-管道-流体系统振动为对象的研究成果,目前很少见相关文献报道。 本文以某型号单座式调节阀为对象,研究由调节阀与其两端充液管道组成的调节阀-管道-流体系统的流固耦合振动问题。通过对系统的有限元流固耦合模型进行仿真,分析流开型和流闭型调节阀在固定开度和变开度条件下系统的动态响应。 1.调节阀流固耦合动力学模型 1.1 单座式调节阀结构 单座式调节阀整体结构如图1所示。

输流管道线性流固耦合计算方法在核电工程中的应用

输流管道线性流固耦合计算方法在核电工程中的应用 管道流致振动现象广泛存在于核电厂内,使管道产生疲劳和噪声,对管系安全造成威胁。文章对管道流致振动的原理进行探讨,并通过对两端简支输流管振动总响应计算方法的简化,得到输流管线挠度与流速的关系式,并与流固耦合数值仿真计算进行对比,两者结果非常吻合,这表明用线性流固耦合仿真技术为核电厂管道设计与验证提供参考是可行的。 标签:流固耦合;流致振动;管道内流 1 概述 核电厂内分布大量管道系统,运行时发生流致振动现象十分普遍,振动会使管道产生疲劳和噪声,对管系安全造成威胁。常用工业规范(ASME、RCCM)对于管道流致振动的控制与验证未给出明确方法,因此需从原理上探索流致振动的原因,并找到可应用于工程的实用方法。虽然工业规范不完善,但流致振动问题却是国内外学者的研究热点,产生了很多重要研究成果,比如Blevins早在1990年就发表了经典专著[3],对流致振动原因进行总结和分析;Paidoussis于2014年发表的管道内流流致振动专著[1],对管道线性与非线性流固耦合方程进行全面介绍。以上研究都基于理论公式推导,并未与当前商用数值仿真软件融合。文章通过对输流管道线性运动方程的推导和简化,得到管内流速与管道最大挠度的关系,并与用仿真软件计算的结果对比,两者结果非常吻合,表明数值仿真方法在输流管道线性流固耦合分析中精度较高,可用于工程设计。 2 简支输流管线性流固耦合运动方程 2.1 简支输流管线计算模型 如图1所示,两端简支的输流管线偏离平衡位置,形成横向挠度Y,跨距为L的跨距。我们从管道上切下管道和流体两个微元,为每个微元进行受力分析。流体密度为?籽;压力为p;流速为v。管子横截面积A;长度为L;弹性模量为E;截面惯性矩为I;管道单位长度质量为M。 2.2 管道与流体微元平衡方程 由于管道振动,流体产生加速度、同时竖直方向有流体压力分量、管壁作用在流体上的压力F,上述力在竖直方向平衡可得: 流体沿管子长度方向压力梯度由管壁摩擦的剪切应力平衡,其方程为: 其中S为管内壁周界,q为管内表面剪切应力。 定义M为无水管道单位长度质量,管子横向剪切应力为Q,管子纵向拉应

血管流固耦合分析实例

Ansys14 workbench血管流固耦合实例 根据收集的一些资料,进行学习后,试着做了这个ansys14workbench的血管流固耦合模拟,感觉能够耦合上,仅是熟悉流固耦合分析过程,不一定正确,仅供参考,希望大家多讨论。谢谢! 1、先在proe5中建立血管与血液流体区的模型(两者装配起来),或者直接在workbench中建模。 图1 模型图 2、新建工程。在workbench中toolbox中选custom system,双击FSI: FluidFlow(fluent)->static structure. 图2 计算工程 3、修改engineering data,因为系统缺省材料是钢,需要构建血管材料,如图3所示。先复制steel,而后修改密度1150kg/m3,杨氏模量4.5e8Pa,泊松比0.3,重新命名,最后在主菜单中点击“update project”保存.

图3 修改工程材料 4、模型导入,进入gemetry模块,import外部模型文件。 图4 模型导入图 5、进入FLUENT网格划分。 在workbench工程视图中的Mesh上点击右键,选择Edit…,如图5所示,进入网格划分meshing界面,如图6所示。我们这里需要去掉血管部分,只保留血液几何。

图5 进入网格划分

图6 禁用血管模型 6、设置网格方法。 默认是采用ICEM CFD进行网格划分,设置方式如图7所示,截面圆弧边分为12份,纵截面的边均分为10份,网格结果如图8所示。另外在这个界面中要设置边界的几何面,如inlet、outlet、symmetry 图7 设置网格划分方式 图8 最终出网格

流固耦合应用研究进展

文章编号:1671-3559(2004)02-0123-04 收稿日期:2003-12-03 基金项目:山东省科学技术发展计划资助项目(012050107);山 东省自然科学基金资助项目(Y 2002F19) 作者简介:郭术义(1971-),男,山东济南人,山东大学机械工 程学院博士研究生。 流固耦合应用研究进展 郭术义,陈举华 (山东大学机械工程学院,山东济南250061) 摘 要:流固耦合力学是一门新兴学科。本文简要介绍了该学科的典型应用进展情况,总结了各种研究中的典型方程、数值解法,展望了进一步发展的趋势。关键词:流固耦合;数值模拟;展望中图分类号:O35112;O34717 文献标识码:A 流固耦合力学是一门比较新的力学边缘分支, 是流体力学与固体力学二者相互交叉而生成的。它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场的影响。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用:固体在流体动载荷作用下产生变形或运动,而固体的变形或运动又反过来影响到流场,从而改变流体载荷的分布和大小。总体上,流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。本文就流固耦合问题的两大分类中三种基本情况进行了讨论。 1 流固耦合典型应用 流固耦合作用的研究在航空、航天、水利、建筑、石油、化工、海洋以及生物领域都有着十分重要的意义。如液体晃动对火箭飞行稳定性的影响,大型贮液管在地震激励作用下产生的流固耦合作用,液体湍振对输液管道的影响。本文就如下三个大方面进行了总结。1.1 输流管道流固耦合 流体引起输流管道振动的研究最初来源于横跨 阿拉伯输油管道振动的分析[1]。管道在众多的工业领域中应用十分广泛,作用极其重要。但是,在管道 内流体流动状态的微弱变化往往引起在工作过程中的湍振现象,诱发流体、管道之间的耦合振动,动力学行为相当复杂。这使得人们很早就开始了这方面的研究,Paidoussis M P [2]是其中最具有代表性的。输流管道的振动问题之所以能引起学者的兴趣,除因为该问题的广泛工业背景和现实意义之外,还因为输流管道虽然是最简单的流固耦合系统,但它却涉及了流固耦合的大多数问题,并且它的物理模型简单,系统比较容易实现,因而便于理论与试验的相互协同。 考虑因素侧重面的不同,输液管道非线性运动方程有几种类型[3-5],它们之间有一定的差别。它们的基本假设都是:流体无粘且不可压;管道作为梁模型来处理;管道只是在平面内振动。尽管输流管道的非线性动力问题受到50多年极为广泛的研究,但至今尚没有一个公认的模型。文[6]建立的4个独立变量(轴向位移、横向位移、流速和压力)的全耦合模型(耦合形式包含摩擦耦合、P oiss on 耦合、结合部耦合以及管道轴向和横向运动的耦合)在众多的非线性分析模型中是一个较为完整的模型。 m ¨u +m f [ υf (1+u ′)+2υf u ′+υ2 f u ″+ ωυ′f ]+ P (υf + u )/c 2F -[(1-2υ)P (1+u ′)]′+4f ρf ρ′?υ2f /DK -gm f (1-2υ)(1+u ′)ω′-EI (7ω″ω +ω′ ω )-E A p (2u ″+6u ′u ″+2ω′ω″ )/2=0(1)m ¨ω+m f [ υf (1+ω′)+2υf ω′+υ2f u ″+ω″υ2 f ]+ P (υf + ω)/c 2F -[(1-2υ)P ω′]′-gm +EI ω″″-EI (u ′ω′+6u ″ω +4u ′ω ′)-E A p (u ″ω′+u ′ω″ )=0(2) P /c 2F +m f [(1-2υ)( u +υf )u ″- u ′+υ′f ]-m f (1-2υ)( u ′+u ′ u ′+ω′ ω′ )=0(3)P ′+m f (¨u + υf )+m f ¨ωω′+gm f ω′+Df ρf υ2 f /2=0 (4)随着对输流管道问题研究的深入,各种不同的 分析计算方法也相继被提出。其中有限元法(FE M ) 第18卷第2期2004年6月 济南大学学报(自然科学版) JOURNA L OF J I NAN UNI VERSITY (Sci.&T ech 1) V ol.18 N o.2 Jun.2004

基于LSDYNA及FLUENT的板壳结构流固耦合分析

基于 LS-DYNA 及 FLUENT 的板壳结构流-固耦合分析
汪丽军 北京航空航天大学,交通科学与工程学院 100191
[摘 要]: 本文采用 ANSYS 显示动力分析模块 LS-DYNA 及流场分析模块 FLUENT,对水下的板壳 结构运动及其界面的流-固耦合现象进行了仿真分析。流场计算得到的界面压强数据以外载荷 的形式施加于结构表面,使其产生位移及变形;同时,结构的变化又进一步影响了流场的分 布。通过往复的双向耦合迭代,得到了板壳结构的动力学响应以及流场的分布情况。仿真结 果与试验结果的对比表明,此方法适用于解决兼有大位移及较大变形特征的流-固耦合问题。 [关键词]: 板壳结构 流-固耦合 有限元方法 ANSYS
Analysis of Fluid-Structure Interaction for Plate/Shell Structure Based on LS-DYNA and FLUENT
Wang Lijun School of Transportation Science & Engineering, Beihang University 100191
Abstract: In this paper,the movement of plate under water and the fluid-structure interaction(FSI) is simulated numerically by combining explicit dynamic solver LS-DYNA and computational fluid dynamics solver FLUENT in ANSYS. The pressure obtained from the calculation of flow field are applied as external loads on the surface of the plate, then the structural deformation and displacement can be calculated as well, which will affect the shape and pressure distribution of the flow field reversely. After sequential coupling iterations the dynamic response of the structure and flow field distribution are obtained consequently. By comparing numerical and experimental results it is proved that this proposed coupling method is suitable for solving such a kind of FSI problems considering both large displacement and comparatively large deformation. Keyword: Plate/shell structure, Fluid-Structure Interaction, Finite element method,ANSYS
1
前言
在自然界中,流-固耦合现象广泛存在于航空、航天、汽车、水利、石油、化工、海洋 以及生物等领域。很多实际问题中流体载荷对于结构的影响不可忽略;同时,结构的位移 和变形也会对流场的分布产生重要影响。例如各种水下运动机构都需要考虑这种现象。

流固耦合

流固耦合定义: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相互作用的一门科学。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,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。 (一)流固耦合动力学:求解方法与基本理论---张阿漫,戴绍仕 ●有限元法 ●边界元法 ●SPH法与谱单元法 ●瞬态载荷作用下流固耦合分析方法 ●小尺度物体的流固耦合振动 ●水下气泡与边界的耦合效应 按耦合机理分两大类: 1 耦合作用只发生在两相交界面---界面耦合(场间不相互重叠与渗透),耦合作用通过界面力(包括多相流的相间作用力等)起作用。它的计算只要满足耦合界面力平衡,界面相容就可以了(其耦合效应是通过在方程中引入两相耦合面边界条件的平衡及协调关系来实现的)。如气动弹性,水动弹性等。 按照两相间相对运动的大小及相互作用分为三类: (1)流体和固体结构之间有大的相对运动问题"最典型的例子是飞机机翼颤振和 悬索桥振荡中存在的气固相互作用问题,一般习惯称为气动弹性力学问题" (2)具有流体有限位移的短期问题"这类问题由引起位形变化的流体中的爆炸或 冲击引起"其特点是:我们极其关心的相互作用是在瞬间完成的,总位移是有限的,但 流体的压缩性是十分重要的" (3)具有流体有限位移的长期问题"如近海结构对波或地震的响应!噪声振动的 响应!充液容器的液固耦合振动!船水响应等都是这类问题的典型例子"对这类问题, 主要关心的是耦合系统对外加动力荷载的动态响应" 2 两域部分或全部重叠在一起,难以明显的分开,使描述物理现象的方程,特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立,其耦合效应应通过建立与不同单相介质的本构方程等微分方程来体现。 按耦合求解方法分两大类: 1 直接耦合求解:直接耦合是在一个求解器中同时求解不同物理场的所有变量,需要针对具体的物理现象来建立本构方程,其耦合效应通过描述问题的微分方程来体现。 2 间接耦合求解:而间接耦合不需要重写本构方程,仅只利用当前比较成熟的单物理场求解器求解各自相域,并实现不同的物理场之间的信息交换。 范例(一个经典的间接耦合求解范例步骤):利用CFX 进行全三维非定常粘性数值模拟,利用ANSYS 进行结构瞬态动力分析,其耦合面数据交换以MFX-ANSYS/CFX为平台,在每个物理时间步上进行耦合迭代,各自收敛后再瞬态向前推进,结构变形引起的流场网格位移由CFX内部的动网格技术来处理,整个耦合过程充分考虑了流场的三维非定常性和结构响应的瞬态变化。https://www.360docs.net/doc/e32799512.html,/s/blog_6817db3a0100ju4s.html) 迭代求解,也就是在流场,结构上分别求解,在各个时间步之间耦合迭代,收敛后再向前推进.好

abaqus与fluent流固耦合

基于MPCCI的流固耦合成功案例 基于MPCCI的流固耦合成功案例 (一)机翼气动弹性分析 1 问题陈述 机翼绕流问题是流固耦合中的经典问题。以前由于缺乏考虑流固耦合的软件,传统的分析方法是将机翼视为刚体,不考虑其弹性变形,通过CFD软件来计算机翼附近的流场。这个强硬的假设很难准确的描述流场的实际情况。更无法预测机翼的振动。MPCCI是基于代码耦合的并行计算接口,它可以同时调用结构和流体的软件来实现流固耦合。我们通过MPCCI,能很好的预测真实情况下的机翼绕流问题。采用ABAQUS结构分析软件来求解结构在流畅作用下的变形和应力分布,通过Fluent软件来计算由于固体运动和变形对整个流场的影响。 2 模拟过程分析顺序 MpCCI的图形用户界面可以方便的读入结构和流体的输入文件。后台调用ABAQUS和FLUENT。在MPCCI耦合面板中选择耦合面,然后选择在相应耦合面上流体和固体需要交换的量。启动MpCCI进行耦合。 3 边界条件设置

图1 无人机模型和流体计算模型 结构部分单个机翼跨度在1.5m左右,厚度为0.1m左右。边界条件为机翼端部的固定,三个方向的位移完全固定,另一端完全自由。在固体中除了固定端的面外,其他三个面为耦合面。流体部分采用四面体网格,采用理想气体作为密度模型。流体的入口和出口以及对称性边界条件如下图所示。 图2 固体有限元模型 4 计算方法的选择 通过结合ABAQUS和FLUENT,使用MPCCI计算流固耦合。在本例中,固体在流场作用下产生很大的变形和运动。在耦合区域,固体结构部分计算耦合面上的节点位移,通过MPCCI传输给FLUENT的耦合界面,FLUENT 计算出耦合区域上的节点力载荷,然后通过MPCCI传给结构软件ABAQUS。在MPCCI的耦合面板中选择的耦合面如图所示,交换量为:节点位移、相对受力。采用ABAQUS中的STANDARD算法,时间增量步长为0.1毫秒。 5 计算结论 通过MPCCI结合ABAQUS和FLUENT,成功地计算在几何非线性条件下的气动弹性问题,得到了整个流体区域的流场分布以及结构的动态响应历程。

(完整版)5流固耦合

第五章 轴流泵的流固耦合 5-1 流固耦合概论 流固耦合问题一般分为两类,一类是流‐固单向耦合,一类是流‐固双向耦合。单向耦合 应用于流场对固体作用后,固体变形不大,即流场的边界形貌改变很小,不影响流场分布的, 可以使用流固单向耦合。先计算出流场分布,然后将其中的关键参数作为载荷加载到固体结 构上。典型应用比如小型飞机按刚性体设计的机翼,机翼有明显的应力受载,但是形变很小, 对绕流不产生影响。当固体结构变形比较大,导致流场的边界形貌发生改变后,流场分布会 有明显变化时,单向耦合显然是不合适的,因此需要考虑固体变形对流场的影响,即双向耦 合。比如大型客机的机翼,上下跳动量可以达到5 米,以及一切机翼的气动弹性问题,都是 因为两者相互影响产生的。因此在解决这类问题时,需要进行流固双向耦合计算。下面简单 介绍其理论基础。 连续流体介质运动是由经典力学和动力学控制的,在固定产考坐标系下,它们可以被表 达为质量、动量守恒形式: ()0v t ρρ?+??=? (1) ()B v vv f t ρρτ?+??-=? (2) 式中,ρ为流体密度;v 为速度向量;B f 流体介质的体力向量;τ为应力张量;在旋 转的参考坐标系下,控制方程变为: ()0r v v t ρρ?+??=? (3) (-)+B r r c v v v f f t ρρτ?+??=? (4) 形式和固定坐标系下基本相同,只是速度变成了相对速度,另外就是增加了附加力项 c f 。 固体有限元动力控制方程为: []{}[]{}{}...[]{}M u C u K u F ++= (5) 式中,[]M ,[]C ,[]K 分别是质量矩阵,阻尼矩阵以及刚度矩阵,{}F 为载荷矩阵。 流固耦合遵循最基本的守恒原则,所以在流固耦合交界面处,应满足流体与固体应力、 位移、热流量、温度等变量的相等或守恒,即满足如下四方程: f f s s n n ττ?=? (6) f s d d = (7) f s q q = (8) f s T T = (9) 5-2 单向流固耦合

ansys help流固耦合算例fluid_structure(内含解析)

/BATCH /COM,ANSYS RELEASE 12.1 UP20091102 13:06:05 10/24/2010 /PREP7 ! /Batch,list /prep7 /sho,gasket,grph shpp,off ET,1,141 ! Fluid - static mesh ET,2,182, ! Hyperelastic element !!!!!!! Fluid Structure Interaction - Multiphysics !!!!!!! Deformation of a gasket in a flow field. ! !!!!!!! Element plots are written to the file gasket.grph. ! ! - Water flows in a vertical channel through a constriction ! formed by a rubber gasket. ! - Determine the equilibrium position of the gasket and ! the resulting flow field ! ! | ! | ! |----------| Boundary of "morphing fluid" ! | ______ ! | |______ gasket ! | ! |----------| Boundary of "morphing fluid" (sf) ! | ! !! 1. Build the model of the entire domain: !! Fluid region - static mesh !! !! Gasket leaves a hole in the center of the channel !! Morphing Fluid region is a user defined region around !! the gasket. The fluid mesh here will deform and be !! updated as the gasket deforms. !! !! Parameterize Dimensions in the flow direction !! *SET,yent , 0.0 ! Y coordinate of the entrance to the channel *SET,dyen , 1.0 ! Undeformed geometry flow entrance length *SET,ysf1 , yent+dyen ! Y coordinate of entrance to the morphing fluid region *SET,dsf1 , 0.5 ! Thickness of upstream *SET,ygas , ysf1+dsf1 ! Y coordinate of the bottom of the gasket *SET,dg , 0.02 ! Thickness of the gasket

基于ANSYS的流固耦合动力分析方法

第37卷 第6期2008年12月 船海工程SH IP &OCEA N ENG IN EERI NG V ol.37 N o.6 Dec.2008 交贯线附近区域首先开始达到极限载荷,从而引起支撑大面积失效。 2)支、主管直径比B 和主管径厚比C 是影响节点受力性能的主要因素。节点的强度和刚度随着支主管直径比B 的增大而增加,随着主管径厚比C 的增大而降低。当B >0.7,10

AnsysCF流固耦合分析

A n s y s C F流固耦合分析 文档编制序号:[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]

流固耦合FSI分析 分析原理:流场采用CFX12,固体采用ANSYS12分别计算,通过界面耦合。流体网格:流体部分采用分网,按照流体分网步骤即可,没有特殊要求。 网格导出:CFX可以很好的支持Fluent的.cas格式。直接导出这个格式即可。流体的其余设置都在CFX-PRE中设置。 固体网格即设置:划分固体网格。设置边界条件,载荷选项,求解控制,导出.cdb文件。 实例练习: 以CFX12实例CFX tutorial 23作为练习。 为节省时间,将计算时间缩短为2s。 网格划分:提取CFX tutorial 23中的实体模型到hm中,分别划分流体,固体网格。分别导出为fluent的.cas格式和ansys的cdb格式。 流体网格如下: 网格文件见: 固体网格为: 特别注意: 做FSI分析时,ANSYS固体部分必须在BATCH下运行(即将.cdb文件导入ansys不需要任何操作就能直接计算出结果),所以导出的.CDB文件需要添加一个命令,在hm建立FSIN_1的set,以方便在.cdb中手动添加命令 SF,FSIN_1,FSIN,1,具体位置在定义了节点集合FSIN_1之后。 另一个set:pressure用于施加压强。 这里还设置了一些控制卡片用于分析,当然也可以直接修改.cdb文件

详细.cdb文件请参看 将固体部分在ansys中计算一下,以确定没有问题。 通过ansys计算检查最大位移:最上面的点x向变形曲线 至此,固体部分的计算文件已经准备好,流体网格需要导入CFX以进一步设置求解选项和耦合选项。 以下在CFX-PRE中进行设置 由于固体模型已经生成,故不需要利用workbench,所以不必按照指南的做法。 启动workbench,拖动fluid flow(CFX)到工作区 直接双击setup进入CFX-PRE 导入流体网格 然后设置分析选项: 注意:mechanical input file即是固体部分网格。 再新建一个流体,取名fluid。 设置domain 添加边界条件 取名为interface设置流固耦合界面,对应为abc。 这就是流固耦合界面的设置过程。 同理,建立sym1 Sym2 这个选项默认为no slip 的 wall,最普通的那种,不必特殊设置 初始化: 求解控制

输流管道系统非线性流固耦合振动研究_熊禾根

[收稿日期]20060325 [作者简介]武汉科技大学 机械传动与制造工程 湖北省重点实验室开放基金项目(2005A13);湖北省教育厅科研资助项目(B200611007)。 [作者简介]熊禾根(1966),男,1987年大学毕业,博士,副教授,现主要从事机械设计与理论、现代设计方法、智能设计制造 执行系统等方面的研究。 输流管道系统非线性流固耦合振动研究 熊禾根,李公法,孔建益杨金堂,蒋国璋,侯 宇,刘怀广 (武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081) [摘要]管道在众多的工业领域中具有十分广泛的应用,发挥着极其重要的作用。围绕输流管道系统的非 线性动力学建模、非线性动力学分析方法和稳定性问题,简述了输流管道系统非线性流固耦合振动的最 新研究情况,并对今后值得进一步研究的某些问题作了分析和预测。 [关键词]输流管道;非线性;流固耦合;稳定性 [中图分类号]U 173;Q327 [文献标识码]A [文章编号]16731409(2006)02057403 输流管道耦合振动具有自激振动的特性,属于非线性动力学研究的重要内容。文献[1,2]的研究表明,输流管道的振动问题的物理模型简明,易于理解、设计和制造。其简单形式的控制方程蕴涵着丰富而复杂的动力学内容,同时也表明对这样问题的非线性动力学研究的必要性。随着数值计算技术、非线性理论与方法研究的不断深入和发展,在输流管道非线性振动方面发现了一些重要现象,主要包括:管道横向挠度引起的轴向拉力对其动力学特性的影响、定常流和振荡流作用下悬臂管的分岔与混沌行为、支承输流管的非线性振动稳定性以及振荡流导致的参数共振。 但是,由于管道流固耦合这一非线性问题的复杂性,还存在一些重要问题需要解决,如寻求更完善的输流管道的动力学建模理论与方法以及探索采用现代非线性动力学分析数值方法研究与揭示其非线性振动机理。笔者将围绕输流管道系统的非线性动力学建模、非线性动力学分析方法、稳定性等3个方面简述输流管道系统非线性流固耦合振动的最新进展情况,同时讨论尚需进一步研究的问题。 1 输流管道非线性动力学建模 由于考虑因素的侧重面不同,建立的管道流固耦合非线性动力学方程也有一定的差别。在实际应用中,管道内径远远小于管道长度,输流直管假设为梁模型是合理有效的。建立动力学方程都假定:流体为无黏不可压;管作为梁模型来处理;管在平面内振动;不计剪切变形和截面转动惯量的影响。 文献[3]采用H am ilton 变分原理导出了两端固支管的非线性动力学模型: (m +M) u +M V +zM V u +MV u +MV 2u +M V u -EA u -EI (v v +v v ) +(T 0-P -EA )v v -(m +M )g =0(1) (m +M) v +M V v +2M V v +MV 2v -(T 0-P)v +EI v -EI (3u v +4u v +2u v +v u +2v 2v +8v v v +2v 3)(T 0-P -EA )(u v +u v +32 v 2v )=0(2)式中,V (t)为流速;E 为管道材料的弹性模量;A 和I 分别为管截面的面积和惯性矩;m 和M 分别为管道和流体的单位长度质量;上标 表示对时间的导数;上标 表示对坐标的导数;g 为重力加速度;u 和v 分别为管轴线的横向位移和轴向位移;T 0为固支管的轴向拉力;P 为其内的流体压力。 文献[4]综合Paidoussis 和Wigg er t 的管道动力学方程,忽略了管道泊松耦合的影响,提出了描述管道非线性流固耦合运动的4-方程模型: W A p u z -(PA f ) -m f ( V f +V f V f )-mg z -m p u z =0(3) 574 长江大学学报(自科版) 2006年6月第3卷第2期理工卷 Journal of Yangtze University (Nat Sci Edit) Jun 2006,Vo l 3N o 2Sci &Eng V

三个流固耦合分析实例

length=2 !定义体各种变量参数,长宽高 width=3 height=2 /prep7 et,1,63 !选用壳模型 et,2,30 !选用FLUID30单元,用于流固耦合问题r,1,0.01 增加实常数,壳厚为0.01 mp,ex,1,2e11 mp,nuxy,1,0.3 mp,dens,1,7800 !定义壳单元的各种单元属性 mp,dens,2,1000 !定义Acoustics材料来描述流体材料-水mp,sonc,2,1400 !定义声单元声速 mp,mu,0, !定义吸声系数 ! block,,length,,width,,height !建立长方体 esize,0.5 mshkey,1 ! type,1 !选择壳单元 mat,1 real,1 asel,u,loc,y,width !选择面 amesh,all !划分面单元 alls !选择所有项 ! type,2 !选择声单元 mat,2 vmesh,all !划分体单元 fini /solu antype,2 modopt,unsym,10 !非对称模态提取方法处理流固耦合问题eqslv,front mxpand,10,,,1 nsel,s,loc,x, nsel,a,loc,x,length nsel,r,loc,y d,all,,,,,,ux,uy,uz, nsel,s,loc,y,width, d,all,pres,0 !上面几步为定义边界条件和约束 alls asel,u,loc,y,width, sfa,all,,fsi !定义流固耦合界面

alls !选择所有项 solv !求解 fini /post1 !后处理 set,first plnsol,u,sum,2,1 !显示图形 fini /PREP7 !定义壳材料与性质 !壳元素与材料 ET,1,shell63 $MP,EX,1,201E9 $MP,prxy,1,0.26 $MP,dens,1,7.85E3 $r,1,0.006 !流体元素与材料 ET,2,FLUID80 $MP,EX,2,1.5e9 $MP,DENS,2,0.84e3 $mp,visc,2,1.0e-10 !以下这个keyoption怎么用? 如过用1,就会显示[Element 877 may not have a positive Z coordinate IF KEYOPT(2) = 1.],显示这个错误代表要做什么修正吗?所以我暂时用KEYOPT(2) = 0就可以跑。 KEYOPT,2,2,0 !建立壳关键点 K,1,10,0,0 $K,2,10,0,12 !建立中心线关键点 k,3,0,0,0 $k,4,0,0,20 !定义壳壁线 L,1,2 $L,1,3 !以关键点3,4为中心线旋转360度生成壳体 AROTAT,all,,,,,,3,4,360 !划分壳体网格 AATT,1,1,1 $esize,2 $mshape,0,3D $mshkey,2 $amesh,all $alls !延伸出水位体积 VEXT,2,8,2,0,0,10,0,0,0 $vglue,all

管道流体双向流固耦合的动力学模拟分析

管道流体双向流固耦合的动力学模拟分析 【摘要】新疆某石化公司的10-K-302C离心式甲烷制冷压缩机自2009年9月开机以来,润滑油管线振动位移一直较大。为了分析润滑油是否是造成管道振动的因素,采用Ansys Workbench有限元软件模拟了管道内润滑油耦合前后的动力特性,分析了润滑油在耦合前后的压力、速度变化情况,得到流体速度在弯管处变化过大产生了较大的冲量对管道位移过大有着重要影响。 【关键词】输油管道workbench 双向流固耦合流体动力学 1 引言 流体动力学是研究流体平衡的条件及压强分布、流体运动规律、以及流体与固体之间的相互作用等,研究结果对分析管道的振动及影响因素有重要意义。本文针对新疆某石化公司的10-K-302C离心式甲烷制冷压缩机自开机以来润滑油管线振动较大的问题,通过对管内流体流动状态进行模拟分析,得出了流体耦合前后动力特性的变化及管道振动的原因。 2 双向流固耦合分析原理 流固耦合要遵循质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒,所以在流固耦合交界面处,应满足流体域固体应力(σ)、位移(d)、温度(T)、热流量(q)等变量的相等或守恒,即满足下面四个方程: σ分别为液体、固体应力。 3 流体和管道的计算模型 就10-K-302C离心式甲烷制冷压缩机装置的润滑油管线位移较大现象,通过分析润滑油耦合前后的动力学特性,找出流体运动特性,对寻找该管道振动原因有重要指导作用。出口管道的管路图如图1:选取润滑油在弯管中心轴线处的1、、2、、3、、4、点,及在出口处5、为观测点。 图3 耦合后润滑油速度流线图 耦合前后润滑油与管道接触壁面的压力云图4和图5。绝对压力均在入口处较大,弯头处较其连接处的直管压力较大。耦合前润滑油壁面的最大绝对压力为772KPa,最小绝对压力为759.9KPa,压力波动值为1.58%,压力波动较小。流固耦合后接触壁面的压力大小和分布与耦合前几乎相同。图 5 耦合后润滑油壁面绝对压力 4.2 耦合前后流体观测点随时间的变化对比

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