输液管道的振动特性

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充液管道振动特性理论与实验研究的开题报告

充液管道振动特性理论与实验研究的开题报告1. 研究背景在工业生产和实验研究中，充液管道振动经常出现。

管道振动会引起管道强度下降、疲劳破坏等问题，严重时还会导致泄漏事故的发生。

因此，对充液管道振动特性进行研究具有重要意义。

2. 研究目的本研究的主要目的是探究充液管道振动特性，包括振动频率、振幅、谐振现象等方面，并对其进行实验验证。

3. 研究内容（1）分析充液管道的振动特性通过建立管道振动的数学模型，分析充液管道的振动特性，如振动频率、振幅、谐振现象等。

（2）设计实验方案设计一系列实验方案，依据理论预测的振动特性进行实验验证。

（3）进行实验研究搭建实验装置，对设计好的实验方案进行实验研究，记录并分析实验数据。

（4）对实验结果进行分析与研究对实验数据进行处理，利用数学方法进行分析，得出结论并与理论结果进行对比。

4. 研究方法本研究将采用理论分析和实验研究相结合的方法。

（1）理论分析建立充液管道的振动数学模型，通过理论分析分析管道振动的特性。

（2）实验研究设计一系列实验方案，采用模拟实验方法进行实验研究，记录并分析实验数据。

5. 预期成果通过本研究，预计能够得到以下成果：（1）系统分析充液管道的振动特性，揭示其振动频率、振幅、谐振现象等特点。

（2）研究充液管道的振动特性对管道安全的影响。

（3）验证理论分析的准确性，同时对相关实验方法提出改进性建议。

6. 研究意义（1）为工业生产和实验研究提供理论依据。

（2）对充液管道的安全性能提出更加科学合理的要求。

（3）对相关领域研究提出新的思路和方法。

管道振动分析

输水管道振动分析水利水电工程和农业水利工程中，为了减小蒸发、输水方便、利于控制，常采用压力管道进行输水。

在管道输水过程中，往往会发生管道的振动现象，若管线长期振动会遭受疲劳破坏，进而引发管线断裂、水体外泄等事故。

应在设计中予以考虑。

1.输水管道振动机理在压力和流速作用下，管道壁会承受动水压力，动力设备、来流条件、流体输送机械操作和外部环境的刺激会使管道产生随机振动。

管道、支架和相连设备构成一个结构系统，在激振力的作用下，系统会发生振动。

管道振动分为两个系统：一个是管道系统，一个是流体系统。

压力管道的激振力来源于系统自身或系统外部。

来自系统自身的激振力主要有与管道相连接的机器的振动和管内流体不稳定流动引起的振动；来自系统外的主要有风、地震等。

振动对压力管道而言是交变荷载，危害程度取决于激振力的大小和管道的抗震性能。

2.管道激振力分析来自系统内部的激振力主要有以下几种：2.1 由于运动要素脉动产生的脉动压力实际工程中的液体流动多属于紊流，其基本特征是许多大小不等的涡体相互混掺着前进，在流动过程中流速、压强等运动要素会发生脉动，继而产生脉动压强和附加切应力，管道在此作用下会发生振动。

2.2 由于气蚀产生的冲击力对于部分压力管道，基于提供水流动能和节省工程投资的需求，常选择断面较小的管道，管道内流动的水流为高速水流。

水流流动过程中动能较大，压能较小，当压强低于同温度下的气化压强时，部分液体发生气化，产生空泡。

空泡随液流前进的过程中逸出，当压强增大，其自身的存在条件被破坏后，空泡发生溃灭。

空泡在管壁附近频频溃灭，会在瞬间产生较大的冲击力，使管道发生振动。

2.3 由于水击产生的水击压力压力管道中流动的液体流速因某种外界原因发生急剧变化时（如阀门开启或关闭），由于液体具有一定的压缩膨胀性，液体内部压强产生迅速交替升降，这种交替升降的水击压力像锤子击打在管壁、阀门或其他管路元件上一样，造成管道的弹性变形和振动。

14第十四章、管道振动分析ppt课件

2〕机械振动系统鼓励管道产生的振动。
管道本身、管道附件和支架等所构成的管路系统实践上也是一个机械振动系统，当压力脉动作用在管路的转弯处或管道截面变化处，将产生不平衡力，此力将引起管道的机械振动。
消费实际阐明，紧缩机机组及管道的振动，绝大部分都是气流脉动所引起的。气流脉动将激发管道产活力械振动。管道振动反过来又会引起机组的振动。因此，消除管道系统的振动，首先应思索消除气流脉动。
图12-4所示为液体流经节流口处出现空穴景象的表示图。当液体流到图示节流口的喉部位置时，根据伯努利方程，该处压力值将降到很低。假设在任务温度下，此压力值如低于液体的空气分别压，溶解于液体中的空气将迅速大量分别出来；如低于液体的饱和蒸汽压，液体将迅速汽化。不论是前者还是后者，液体中都将出现大量气泡，这些气泡随着液体流到压力较高的部位处，因受不了高压而破灭，产生部分的液压冲击，发出噪声并引起管道振动。
12.4 压力脉动及压力不均匀度
12.5 消除与减弱管道振动的措施
12.6 简单管系的构造固有频率
物体的振动是指物体在平衡位置附近所作的往复运动。最简单的振动系统是如图12-20的所示的单自在度振动系统。自在度是指确定振动系统的位置所需的独立参数的数目。图12-20中所示的质量弹簧系统被限制在铅垂方向作运动，略去弹簧质量，系统的位置可完全由弹簧的变形确定，因此是单自在度系统。实践管道可以看成延续的弹性体，所以它是一个无限多自在度振动系统。
1〕液压系统中换向阀封锁，忽然停顿管道中液体流动，出现液压冲击，使管道产生振动。在图12-1所示液压系统中，当换向阀开启且开度不变时，液体在管道内坚持稳定流动。开场时管道内液体自左向右流动，此时管道中的流速和压力称为起始流速和起始压力。

管道输送系统振动特性分析与控制优化

管道输送系统振动特性分析与控制优化管道输送系统是现代工业领域中常见的一种物流输送方式，广泛应用于石油、天然气、水和其他液体等的长距离输送。

然而，在输送过程中，管道系统会产生振动，给系统的安全性、稳定性和效率带来一定的影响。

因此，需要对管道输送系统的振动特性进行分析与控制优化。

首先，我们来了解管道输送系统振动的形成原因。

管道输送系统振动主要源自两个方面：一是来自流体的力学振动，二是来自机械部件的共振振动。

针对流体力学振动，流体在管道内流动时会形成压力波动，这种压力波动会引起管道系统的自振动。

当流速较高时，液体在管道中运动会形成湍流，导致压力变化更为剧烈，使得管道系统的振动加剧。

而机械部件的共振振动则是由于管道系统在运行过程中，机械部件的固有频率与外来激励频率相一致，导致共振现象的发生。

共振振动会增加管道系统的振动幅值，降低系统的工作效率，并且可能导致机械部件的疲劳破坏。

为了分析管道输送系统的振动特性，可以采用数值模拟和试验分析两种方法。

数值模拟方法可以通过建立系统的数学模型，利用计算机软件进行仿真计算，分析系统在不同工况下的振动响应。

试验分析则是通过在实际管道系统中进行振动测试，获取实测数据进行分析。

在振动控制优化方面，可以从多个方面进行考虑。

一是在设计阶段，可以通过优化管道系统的结构参数，降低系统的固有频率，减少共振现象的发生。

二是在操作过程中，可以采取减少流体压力波动的措施，如增加缓冲器、消声器等，降低流体力学振动的幅值。

三是对机械部件进行改进，增强其抗振能力，减少共振振动的发生。

此外，还可以考虑采用主动振动控制技术，如主动质量阻尼器、主动控制阀等，通过控制系统的输入和输出信号，实时调节系统的振动响应。

最后，管道输送系统的振动特性分析与控制优化是一个综合性的问题，需要涉及流体力学、结构力学、信号处理等多学科知识。

不同的输送介质、管道材料、输送距离等因素都会对系统的振动特性产生影响。

因此，针对不同的应用场景，需要综合考虑各种因素，采用合适的分析方法和优化措施。

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］。

管材参数对输液管流固耦合振动的影响

ｎ１ｒ１ｃｌｌｔｎｌｍｅｉａＩａｉａ１ｏ
输液管系统中存在液体压力脉动和管壁结构振动，它们之间的耦合作用，造成噪声污染，重的耦会严
合振动可导致灾难性事故。近几年，国城市供水管我
ｓｓｍｗｓｏｄｃｄｗｔｅｍｅｏｆｃａａｔｒｔｓ（Ｃ）ｈｆｅｃｓｏｉｅｓｃｒｌｄｍｐｇｉｅＰｉｙｔａｎｕｔｉｔｔｄｏｈｒｃｉｉＭＯ，ｔｉｕｎｅｆｐｐｔｔａａｉ，ｐｐｏｓｅｃｅｈｈｈｅｓｃｅｎｌｕｒｕｎ —
ＰｉｓｎＳｒｔｒｉｓｗａｌｔｃｎｓ．ｏｓｏ ’ ａｉｏｔｌｈｉｋｅｓｏ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｄ— ｏｖｙｎｐｐｌｕｉｃｎｅｉｇｉｅ；ｆｄ—ｔｃｕｅｏｐｅｖｂａｉｎ；ｐｉｅａａｔｒｍｅｈｄｆｃａａｔｒｓｉｓｌｕｉｓｒｔｒｃｕｌｄｉｒｔｏｕｐｐｒｍｅｅ；ｔｏｏｈｒｃｅｉｔｃ；
ＡｂｔａｔＮｍｒａｃｌｌｔｎｏｆｉ— ｒｃｒｃｕｌｉｒｔｎｒｓｏｓｓｏａｒｓｒｏｒｉｅｖｌｅ（Ｐｓｒｃ：ｕｅｉｌａｕａｏｆｌｄｓｕｔｅｏｐｅｖｂａｉｅｐｎｅｆｅｅｖｉｐｐ —ａｃｃｉｕｔｕｄｏ — ｖＲＶ）
ｇｅｔｒｔｎａｃｒａｎｖｌｅ，ｔｅｖｂａｉｎｅｅｇｆｔｓｓｅｍｏｔｏｃｎｒｔｓｉｕｄｗｈｃａｓｓｆｕｄｐｅｓｒｒａｅｈａｅｔｉａｕｈｉｒｔｎｒｏｈｅｙｔｍｓｌｃｎｅｔａｅｎｆｉｉｈｒｉｅｉｒｓｕｅｏｙｙｌｌ

往复式柱塞泵输液系统管道振动分析

ｕｎ，ｗｈｉｈｃｕｅｈｉｅｒｓｎａｅＣｏｒｃｎｅｓａｆｅｔｖｎｓｆＭａｒｘｔａｓｅｔｄａｅｖｒｆｅｒｍｎｅｉｅｒｍｃａｓｓｔｅｐｐｅｏｎｃ．ｒｅｔｓｎｄｅｆｃｉｅｅｓｏｔｉｒｎｆｒｍｅｈｏｒｅｉｄｆｏａｎｇｎｅ — ｉｉｇｐｒｐｅｔｖｉｈｓｌｉｇｎａｕａｒｑｎｃｆｔｅｌｑｄｃｌｍｎｏｏｌｘｐｐｙｔｍ．ｎｅｓｃｉｅｗｈｃｏｖｎｔｒｌｆｅｕｅｙｏｈｉｕｉｏｕｆｃｍｐｅｉｅｓｓｅ
摘要：实际应用管道进行了简化，对分析了管道系统振动的原因，阐述了矩阵转移法的基本原理及应用范围，用应
ＭＡＬＢ进行了分析计算。最后得出振动原因为液柱固有频率跟管道固有频率接近，者产生共振，而引ＴＡ二从发管道共振，也从工程角度验证了矩阵转移法在解决复杂管系液柱固有频率的正确性及有效性。
决办法。
２为旋转式往复动力系统时，的周期性吸排泵油将导致流体脉动。因此其脉动频率等于泵对工作液体的激发频率。其频率等于
＝
了支吊架约束，振动程度有所减小，由于支吊架容但易松动仍然无法完全解决管道振动问题。为此，作者带领设备组成员进行了振动分析。图１为根据现场管系的简化图，图中的标号为管道节点序号。

关于u形管中液体振动的讨论

关于u形管中液体振动的讨论
对于u形管中的液体振动，有许多化学家、数学家和力学家对其进行过深入的研究和讨论。

最初的研究集中在压力的变化，而在实验中也发现了液体振动中的许多有趣特性。

具体地说，研究发现，振动液体本质上是由反复出现的波状结构进行振动而产生的，其中包括周期性的膨胀和收缩。

这种振动所需的条件是u形管内的流量必须足够大，并且其本质是由运动流体产生的动能而产生的。

虽然u形管中的液体振动会影响其内部的流量和压力，但研究发现，这种振动的影响主要取决于管径，这确实使得u型管的使用更加灵活和安全。

此外，u形管中液体振动的研究还涉及到液体中的声音发射，以及噪声的产生，以及液体体系的温度和熵的影响等等。

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（4）
此处的△E：管道微元的势能。
由流体的伯努利方程可知： 1 2
2
ρv1
+P1
+ρgh1
=
1 2
2
ρv2 +P2 +ρgh2 ，由于
管道振动的方向是 y 方向，而非竖直方向，因此方程不需要考虑重力影响。则：
△P=-ρy觶 y觶 '△x
△W=-△P·△V=（ρy觶 y觶 '△x）△x△y△z=（ρy觶 y觶 '△x）A△s
（8）
由于管道发生的是微小横振动所以 X'→0 则上述方程可以进一
步简化。
（M+m）X2T"+EIX"2T=0
（9）
因此只需要对方程（9）进行求解就可以研究管道振动的情况了。
（M+m）T" EIT
科技信息
○高校讲坛○
SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
2012 年第 33 期
输液管道的振动特性研究
刘海欣（西安工业大学建工学院陕西西安 710032）
【摘要】基于输液管道振动产生机理，对管道系统进行微分分析并建立其微分方程。通过求解微分方程，得到输液管道系统振动频率的函数关系式，从理论上研究了输液管道系统振动的特性，并分析了该系统振动频率与各种影响因素之间关系。
2
鄣t
2
鄣t
整理可得最后管道振动的微分方程为：
muy觶 y觶 '=（M+m）y觶 y咬 +EIy觶 "y"
（7）
其中 M：管道线密度；m：管道内流体线密度。
2 方程的求解及分析
上述方程是一个非线性偏微分非齐次方程，可以采用分离变量法
对其进行求解。令 y=X（x）T（t），式（7）可化为：
muXX'T'=（M+m）X2T"+EIX"2T
【关键词】输液管道系统；管道振动微分方程；振动频率 The Research of Transfusion Pipe Vibration Characteristics
【Abstract】On account of transfusion pipe vibration mechanism, we apply differential analysis on pipe system and establish relevant differential equation. By solving that differential equation, then we can get the function of transfusion pipe system vibration frequency. we study on the transfusion pipe system vibration characteristics by theoretic, then analysis the relationship between vibration frequency of that system and various influencing factors.
△Ek
水＝
1 2
m（u2+y觶 2）△s
（1）
△Ek
管＝
1 2
My觶 2△s
（2）
△s= 姨1+y'2 △x
（3）
其中△Ek 水表示微分单元中水体所具有的动能；△Ek 管：微分单元
内管道具有的动能；△s 微分单元弧段长度。
乙 △E=
x+△x x
1 2
EI（y"
）2dx△ △x→→0 △E=
1 2
EI（y"）2△x
（5）
其中：△W 外界对微分单元所做的功。 A:管道的截面面积。
由于外界对研究对象所做的功与研究对象动能和势能变化量相
等。则：
△W=
鄣鄣t
t+
鄣鄣t
（△E）△t
（6）
联立上述（1）~ （6）则可得到：
鄣鄣（ρy觶 y觶 '△x）A△s= 1 （M+m）鄣y觶 2 △s△t+ 1 EI 鄣（y"）2 △x△t
1 输流管道振动方程的建立
取一长为的一段管道，假定管道在传输流体的过程中只是发生了横向振动（此处研究的是管道发生微小的横向振动），则取（x，x+△x）微元作为研究对象。具体图示如下
图 1 输流管道
由于水流具有不可压缩性，因此可知水流在管道中相对流速应该
保持不变假定为 u，则管道各微分单元的振动速度为 v（x，t）=y觶（x，t），
在实际情况中，管道各处不但发生横向振动同样也发生了纵向振动，
为了研究方便此处只考虑管道的横向振动。那么管道中的流体速度应
该为v△（x→，t）=u軋+△ y觶（x→，t）由于管道发生的是形变微小的横向振动，则可以近似的认为u軋为沿 x 正向，△ y觶（x→，t）沿 y 方向。则：
【Key words】Transfusion pipe system；Pipe vibration differential equation；Vibration frequency
0 引言
输流管道在工业各个部门（如石油化工等）有很大的应用，然而由于流体自身的特点以及管道的特性使得流体在输送过程中要发生流固耦合振动[1-6]。近年来管道振动问题主要集中在流固耦合振动方面的研究。这就产生了诸多研究方向，线性的流固耦合管道振动，以及非线性流固耦合管道振动。然而对振动成因分析可知，管道流固耦合产生机理主要有摩擦耦合、珀松耦合、以及连接耦合。很多管道破坏的原因可以归结为流致振动导致了管道疲劳从而破坏。因此近年来很多国内外学者都致力于管道振动这方面的研究[7-8]。然而大部分学者均从管道振动的整体方面进行研究， [9-10] 从而建立了振动的积分方程，这对管道特定位置处的研究带来了不便，因此本文从微观出发取出管道的微分单元进行建模[11]，得出其振动微分关系式，并对振动的微分关系式求解，对结果进行分析得出微元振动的特点，进而从整体上预测管道的振动。由所得的振动频率关系式研究管道振动的频率，考虑管道振动频率与管道自振频率之间的关系从而在实际应用中避免发生共振现象。