管道流体双向流固耦合的动力学模拟分析

潘海丽 张亚新

【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

观察观测点在耦合前后轴向速度和压力随时间变化曲线（图6、7）。从图6、7可以看出，润滑油在耦合前后各个弯头处的测试点的速度相差较大，同时达到稳定的时间不同；耦合前测试点3、4、达到稳定时间较长，出口处的稳定速度较入口变大；耦合后2、、3、、4、速度波动较大且要达到稳定的時间比较长；耦合前后弯管处的1、、2、、3、、4、的压力同时达到了最值；耦合后除了初始阶段压力值波动较大外，稳定时间和稳定值都一样。