两端固支输流管道流固耦合振动的稳定性分析
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。
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
管道及管路系统流固耦合振动问题的研究动态
第14卷 第3期应用力学学报V o l.14 N o.3 1997年9月CH INESE JOURNAL OF APPL IED M ECHAN I CS Sep.1997管道及管路系统流固耦合振动问题的研究动态α李 琳 喻立凡(北京航空航天大学 北京 100083)摘 要对管道及管路系统流固耦合振动问题在近二十年来的进展作了综述。
根据问题特点,将本课题分为三个分支,即从紊流到振动噪声源的研究,流2弹耦合振动的研究和声2弹耦合振动的研究。
在分别总结这三个分支的研究成果的同时指出了尚需进一步研究的某些问题。
关键词:流固耦合;管路系统;振动噪声1 引 言管路系统流固耦合振动问题有着广阔的工程背景,它的研究成果可直接应用于水利电力、机械、化工、航空航天以及核工程等各个领域。
同时在学术领域,它也是一个十分诱人的课题, Jou rnal of F lu ids and Structu res的创始人M.P.Paidou ssis称之为A M odel D ynam ical P rob2 lem[1]。
因为,它物理模型简单,描述它的数学方程容易简化,特别是管路系统容易实现,这给理论研究与实验研究协同并进提供了极大的方便。
此外,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力学中的大多数问题,而且由于它结构的简单性还使得学者们可以分别(或侧重)研究流体的某一特性(如可压性、粘性、流速)对系统的影响。
七十年代以来,管道及管路系统流固耦合的振动问题有了长足进展。
随着问题的深入,关于这方面的研究形成了三个分枝:——研究内流诱发管系振动及噪声幅射机理;——研究具有定常流速的不可压缩流体与管道弯曲振动的耦合以及在此流速下的管道稳定性分析;管道与不可压缩流体的耦合振动可称为液2弹耦合振动。
——研究可压流体中的声波与管道振动的耦合,这种耦合振动可称为声2弹耦合振动。
α来稿日期:1995211230本文将按此三个分支简述课题的进展状况。
输流管道流_固耦合振动的固有频率分析
本文研究不同阶数 Galerkin方法 [ 15 ]离散后系统的 固有频率 ,与用复模态方法得到的各阶固有频率比较 , 验证不同截断阶数 Galerkin方法在输流管道振动分析 中的适用性 。
Λ ij
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
=
i2π2
0
i=j
i≠ j
j ( - 1) i+j - 1 + ( - 1) i- j - 1
B ij =
i+j
i- j
i≠ j
0
i=j
( i, j = 1, 2, …, N )
(9)
不考虑系统的阻尼 ,由式 ( 7)定义的陀螺系统的特征根
都为纯虚数 ,所以存在变换
ω 1
J
TTA T =
(5)
n =1
如果试函数也采用两端铰支静止梁的正弦模态函数 ,
则利用 N 阶 Galerkin截断得到
∑ ··
qn
- 2γρ
N
k
k = 1, k≠n
(-
1) n +k n +k
1
+ (-
1) n +k n- k
1
·
qk
-
ρ( v2 - 1) n2π2 qn +ρβ2 n4π4 qn = 0
( n = 1, 2, . . . , N )
(6)
可以把微分方程组写成矩阵形式
·
y = Sy
(7)
第 3期 杨晓东等 : 输流管道流 - 固耦合振动的固有频率分析
管道输送系统流固耦合振动与疲劳优化设计
管道输送系统流固耦合振动与疲劳优化设计管道输送系统在工业生产中扮演着重要的角色，而其振动与疲劳问题一直是工程师们需要解决的关键难题。
本文将探讨管道输送系统流固耦合振动与疲劳的优化设计方法。
1. 引言在工业生产中，管道输送系统被广泛应用于油气、化工、电力等领域。
然而，由于其长期受到流体的冲击和振动的影响，管道系统易发生疲劳破坏，给工程安全与持久性带来严重挑战。
因此，优化设计管道输送系统以提高其抗振性能和延长使用寿命显得十分必要。
2. 管道振动和疲劳机理管道输送系统的振动问题主要源于流体的激励和结构的响应之间的相互作用。
当流体通过管道时会产生压力脉动和涡旋脉动，从而诱发管道振动。
这种振动会导致管道结构的应力集中和疲劳破坏。
3. 流固耦合振动优化设计方法为了解决流固耦合振动问题，以下是一些优化设计方法的介绍。
3.1 管道系统分析在进行优化设计之前，首先需要对管道系统进行全面的分析。
通过对管道结构的材料、几何形状、载荷等进行详细的研究，可以确定管道系统振动与疲劳问题的根源。
3.2 流体力学分析流体力学分析是优化设计的重要环节。
通过数值模拟和实验测试手段，可以获得流体在管道中的速度、压力、湍流等重要参数，为流固耦合振动分析提供基础数据。
3.3 结构力学分析结构力学分析是确定管道系统的响应和疲劳寿命的关键步骤。
通过建立管道结构的有限元模型，可以模拟其振动响应，利用应力和振幅来评估疲劳寿命，并对结构进行优化设计。
3.4 振动控制与缓冲为了减少管道系统的振动响应，可以采用各种振动控制技术，如活动支座、振动吸收器等。
此外，合理选择管道结构和材料，增加结构的柔性和强度，也可以有效降低振动的影响。
4. 疲劳优化设计方法管道系统的疲劳寿命也是需要优化设计的关键问题。
以下是一些常用的疲劳优化设计方法。
4.1 疲劳分析通过对管道系统的疲劳载荷进行分析，可以评估其疲劳寿命。
疲劳分析可以使用应力-寿命和应变-寿命曲线等方法，为优化设计提供依据。
输流管道流固耦合振动研究进展_张立翔
A辑第15卷第3期 水动力学研究与进展 Ser.A,V ol.15,N o.3 2000年9月 JOU RN AL OF HYDRODYN AM ICS Sep.,2000文章编号:1000-4874(2000)03-0366-14输流管道流固耦合振动研究进展⒇张立翔1, 黄文虎1, A S TIJSSELIN G2(1.哈尔滨工业大学137信箱,黑龙江哈尔滨150001;2.E indhov en University of Technology,P.O.Box513,5600M B Eindhov en,NL) 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。
但管道在工作过程中由于流体流动状态的变化引起喘振,诱发出流体、管道间的耦合振动,其动力学行为十分复杂,一直受到学术界和工程界广大研究者的重视和研究。
本文对该领域线性和非线性研究内容及进展作了综述和讨论。
关 键 词: 管道;流固耦合;喘振;非线性振动中图分类号: O353.1 文献标识码:A1 前言早在19世纪上叶,人们就已发现,在无限大流体中的声波传播的速度为:c0=Kd f(1) Helmholtz发现在有限体积内,流体波动速度比c0小。
对于不可压缩流体,Young[1]导出了考虑管壁弹性影响的压力波速为:c1=E Wd f D(2) 对于可压缩流体,Kortew eg[2]导出了考虑了流体可压缩性和管壁弹性对波动影响的波速公式为:1 c2f =1c20+1c21或c f=Kd f(1+DKE W)-1(3)式中,K为流体体积压缩模量;E为管道材料的弹性模量;D为管道直径;W为管壁壁厚。
仔细考察式(1)、(2)和(3)可发现:如果管壁是刚性的(E→∞)或者流体是可压缩的(E>>⒇收稿日期: 1999-09-25基金项目: 水利部重点水利科技基金资助项目(SZ9830);云南省自然科学基金资助项目(97E0003G);英国SERC资助项目(G R/J54857)作者简介: 张立翔(1959～),男,教授,博士,博导。
基于双向流固耦合方法的火箭发动机输流管路振动研究
基于双向流固耦合方法的火箭发动机输流管路振动研究
苏勇;何江;张淼;宫武旗
【期刊名称】《振动工程学报》
【年(卷),期】2024(37)4
【摘要】火箭发动机的液氧煤油输送管路经常发生异常振动,严重威胁火箭发动机安全,处理不当将使火箭发射失败,造成巨大经济损失,因此必须对输送管路振动进行研究。
本文建立了包含波纹管、多段弯管及其他附属结构的高压输送管路三维模型,采用双向流固耦合方法,在外源压力脉动激励作用下,对管路进行了振动研究,并通过热试车试验验证了计算结果的有效性。
分析结果表明,同一频率下,振动加速度的幅值分布与流场压力幅值分布有明显的相关性,表明流体压力脉动是引起管道异常振动的根本原因,且随着平均压力的升高,管道的振动加剧。
可视化结果表明,管道振动剧烈位置主要集中在中间管道和波纹管处。
波纹管、弯管和支撑处的应力应变值较大,是容易发生结构失效的危险位置,应重点关注。
【总页数】12页(P717-728)
【作者】苏勇;何江;张淼;宫武旗
【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院;中国航天科技集团公司西安航天动力研究所
【正文语种】中文
【中图分类】V475.1;O327
【相关文献】
1.基于 ANSYS Workbench 的输流管路流固耦合振动分析
2.基于单向求解、双向流固耦合的悬臂平板绕流涡激振动特性对比研究
3.基于双向流固耦合的输流圆管应力应变响应分析
4.基于流固双向耦合的轿车气动与流致振动特性
5.基于ANSYS Workbench的双向流固耦合振动仿真方法
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中 图分类 号 ：Ｈ１ ， ３ ３ 文献 标识 码 ： Ｔ ６０ ５ ． ４ Ａ
１ 引言
输 流 管 道 航 窄 航天 ， 油 化 工 ， 洋 工 程 ， 工业 等领 域 都 石 海 核 有 广 泛 的应 用 。 管道 系统 的流 同耦 合振 动 问 题也 是 学 术 和工 程 领
式 中：’ 系统动能 ； 系统势能 ； ７ 一 一 ６ 一非保 午力在虚位移上做 功。固支长度为 ｆ 的管道（ 含液体 ） 动能 ：
第 ２期 ２１ ０ ０年 ２月
文章 编 号 ：０ １３ ９ （０ ０ ０ — １５ ０ １０ — ９ ７ ２ １ ）２ ０ ０ — ３
机 械 设 计 与 制 造
Ｍ ａ ｈ ｎ ｒ Ｄｅ ｉ ｎ ｃ ｉｅｙ ｓｇ ＆ Ｍａ ｕａ ｔｒ ｎ ｆ ｃｕ ｅ １５ ０
两端 固支输 流管道 流 固耦合振 动的稳 定性分析 术
域的 一 个复杂问题 ， 近年来 ， 多国内外学者都致力于这方面的 很 研究， 取得 了许 多成 果 ，ａｄｕｓ ， ．． ｉＧｘ 和 Ｒ ｎ ， ． 对 Ｐ ｉｏ ｓ ｓＭＰ， ， ．． ａ ｄＲＨ． ｉ Ｌ 两端 阎支管道内的混沌运 动进 ， 亍了研究… Ｂ ｊ ， ． Ｓ ｔ ａＰＲ ，ａａ ＡＫ，ｅ ｎ ，．． ｊ ｈ 和 Ｌ ｎｇｅｎＴＳ研究了输流管道流吲耦合 的非线性振动问题口 ｕ ｄｒｅ ，． ． ／ ， 研究人员做 ｌ ｒ 较系统的研究工作 ，给出了 ４ 方程摸型 的 一 一个解 析解Ｉ 并Ⅱ 建立 了管道非线性流 固耦合振动 的控制方程 应刚 ， ； Ｑ Ｒ法计算 ＿管道的固有频率 得 出了管道前 四阶同有频率与流 ｒ Ｉ ，
Ｌ ｏ ｈ ｉ ＧＡＯ ｎ －ｓ ａ ＬＩ Ｙｏ ｇ ｓ ｕ， Ｅ ｈｕ ｆ ｎ ＩＢａ — ｕ ， Ｈａ ｇ ｈ ｎ， Ｕ ｎ — ｈｏ ＹＵ Ｚ — ｅ ｇ
（ ｒ ｗｅｔｒ ｏｙｅ ｈ ｉａ ｉｅｓｔ ， ’ｎ７１ １ ９， ｈｎ ） Ｎｏｔ ｓｅｎＰ ｌｔｃ ｎｃ ｌ ｈ Ｕｎ ｖ ｒｉ Ｘｉａ ０ ２ Ｃ ｉａ ｙ
可得 ：
Ｉ ． ｉ ｉ ｃ
２ 输流管道耦合振动的变分方程
两端同支输流管道 ， 如 １ 昕示。根据 Ｈａ ｉｏ ｍｌ ｎ原 ｔ
ｆ ｆ ｍｄ ｆ ｍ（ ）： 一｝ （） ｝ ＋｝ 。 ：］ ｆ ｚ ６ ４ ｑ ２ ｄ ｘ
‘
．
０
ｆ（－ ） ＋ｆ ： 占Ｔ Ｖ（ ０ Ｉ ６ ｔ
图 １两端 固支输流管道 ， Nhomakorabea 管道的振型函数 ， 此基 础上求得 ｒ 程 的解析解 ， 以得 到管 可 道临界流速和临界压力， 方法简便 ， 有工程指 导意义。
将（） ） ） ２（ （ 式代入 Ｈ ｍｌｎ ３ ４ ａ ｉ 变分原理 』（ ）件 ｌＷ ０ ｔ ｏ ６ ｄ ＝ ３
０
式 中： ｍ一单位长度管道质量 ； 一 单位 长度流体质量 ；一流体 ｍ。
流速 ； 管道 材料 的弹 性模 量 ； 管道 横 截 面 惯性 矩 ；一 一 ， 一 Ｐ
轴 向压力 ； 一流体截 面面积 ； １ 对时 间 ｔ 求导 ； １ 对
坐 标 求 导 。
道的通月 耦合算法 ｊ 。 目前 ， 解决流固锅合问题常用 的方法有有 限元法 、 传递矩 阵
于 ， …ｋ 的齐次线性方程 ， 令其行列式为零 ， 可求得前 ／阶固 ／ ，
速 的 曲 线 ； 宗 夏 等 给 出 厂两 次 坐 标 变换 的方 法 ， 解决 ｒ空 管
』ｍ 』ｍ
势能： １ｓ ） ＝｝ ？ ｒ Ｂ ￣ 』 ／
０
。 ｌ ｄ
（ ２ ）
（） ３
（） ４
非保守力做功 ： ６ 一 Ｉ ， ， ） Ｉ Ａ１ ｘ
李 宝辉 高行 山 刘永寿 岳珠峰
（ 西北工业 大学 工 程力学 系 ， 西安 ７ ０ ２ ） １ １ ９
Ｔｈ ｔ ｂ ｌｙ ａ ａ ｙ ｉ ｏ ｑ ｉ－ ｉｅ ｉｅ ｔ ｉｅ ｅ ｉｇ ａ ｏ ｈｅ ｄ ｎ ｅｒ ＳＩ ｉ ｒ ｔ ｎ ｅｓ ａ ｉｔ ｎ ｌｓｓ ｆ ｉｕｄ ｆｌｄ ｐ ｐ ｓｗｉ ｆ ｄ ｂ ａｒ ｔ ｔ ｎ ｓｕ ｄ ｂ ａ ｉ ｉ ｌ ｌ ｈ ｘ ｎ ｂ Ｆ ｖ ｏ
法 、 分 法 、 动 法 和 Ｑ 法 ， 些 方 法 都 较 复 杂 ， 易 指 导 工 差 摄 Ｒ 这 不
程实践 ， 针对高速飞行器管路 系统 出现 的故 障， 其管路 没汁需要
一
种计算简清又有足够精度的计算方法 ，于是根据 Ｈ ｍ ｌ ｎ ａ ｉｏ 原 ｔ
，
建 、 两端崮支管道流 固耦合振动的控制方程 ， 用幂级数 近似
（） １
一ｆ ４
０
ｄ ｝＝ ｘｄ ０ ｒ
（） ５
★来 稿 日期 ：０ ９ ０ ～ ８ ★基 金 项 目： ２０—４０ 国家 高 技术 研 究 发展 专项 （ ６ ８ ３汁划 ） 助项 目（ ０７ Ａ ４ ４ ４ 资 ２０ Ａ ０ Ｚ ０ ）
国家 自然科学基金（０ ７ ０ ４ ， １４ ２ ９ ）博士点基金（ ６ Ｊ０ １ Ｎ Ｃ０ ０ ）
１６ ０
李宝辉等： 两端固支输流管道流固耦合振动的稳定性分析
ｆ ４ ． ２Ｅ 一 ／ Ｐ一 １ ９ １ １ ｍ ２ ８ ，
第２ 期
两端固支管道流固耦合振动的控制方程 ： ＿ｍ ｍ ） （＋。
８ ｄ ｄ＝ ｙ ｘ ｔＯ
＋
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（ ６）
１ １＿ 一 ／ Ｐ ７ ２ 一３ １ ７ ； ｚ
【 ”一 Ａ２ Ｌ
同理 ， 以把 可
（） ７
。 ２… ， 入上 面 的方 程 中得 到 ｎ个关 ＋ ＋ 代
３方程 的求解
变分原理可求得它的近似解。 可设管道运动形式为满足 自然边界 条件且所有点都具有相同频率 和相位 。的简谐振动， 即
ｙｘｆ＝ （ ｓ （ ｔａ （ ， ） ｎｔ ＋ ） ） ｉ ｏ