管路系统流固耦合技术研究进展

唐熊辉¹，俞健²，张德满²，蔡标华²

（1.辽宁海军驻431厂军事代表室，辽宁 葫芦岛 125004；2.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064）

管路系统流固耦合技术研究进展

唐熊辉¹，俞健²，张德满²，蔡标华²

（1.辽宁海军驻431厂军事代表室，辽宁 葫芦岛 125004；2.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064）

流固耦合是研究流体与结构之间耦合振动的一门技术，管路系统流固耦合技术的有效应用可以降低管路系统振动强度，并提高管路系统安全性。总结了管路系统流固耦合技术相关理论；介绍了运用商业软件进行管路系统流固耦合数值计算的方法；描述了国内外管路系统流固耦合技术的试验研究现状。最后对管路系统流固耦合技术的发展趋势进行了展望。

管路；振动；流固耦合

0 引言

液体输送管路系统广泛应用于各种行业中，特别是船舶工业、核工业以及航空航天工业等领域。管路系统工作时，系统内动力源工作或阀门附件的启闭都会在管路系统内产生压力脉动。压力脉动可能与管路系统的固有特性相互耦合，严重时会产生较大的振动，将降低管路系统、管路附件以及管路支撑的使用寿命，从而导致严重的事故。因此，针对管路系统流固耦合振动机制的研究，对设计安全可靠的管路系统和现有管路系统进行减振降噪处理，具有非常重要的意义。本文将就近年来管路系统流固耦合技术的理论研究、仿真计算以及试验研究的进展进行简述，并对其发展趋势进行讨论。

1 管路系统流固耦合技术理论研究

流体管路系统的流固耦合主要包括四种机制：摩擦耦合、泊松耦合、连接耦合和Bourdon耦合。摩擦耦合是由于管壁和流体之间存在相对运动，由粘性摩擦力导致的流体与管路之间的相互作用，在一般情况下，只有在较高频率范围内，摩擦耦合才会对管路系统的振动产生较大的影响；泊松耦合是由压力脉动导致的流体与管壁之间的一种沿程耦合，在中、低频情况下泊松耦合对管路系统的振动影响较大；连接耦合是由于管路连接处的流体扰动，引起管路不连续部位的压力不平衡而产生的一种流体与管路之间的动力耦合，在中、低频情况下连接耦合对管路系统的振动也有较大的影响；Bourdon耦合是指在弯曲管段处，流体压力具有将管路非圆截面“拉直”的效应。目前，描述管路系统流固耦合机理的数学模型有4－方程模型、8－方程模型以及14－方程模型等，这些模型均为拟线性模型，其中应用最为广泛的为4－方程模型。

（1）基于4方程的传递矩阵法。上海交通大学的金长明等推导了基于流固耦合4－方程模型的管路系统传递矩阵，得到简单直管段轴向、横向、扭转振动的传递方程，并以此方程为基础集合离散方法，得到了弯管路的传递方程。进行管路系统流固耦合计算时，需将管路系统中附件和支架进行简化，便可以推导出管路系统的传递矩阵，从而可以进行管路系统模态、谐响应计算。

（2）管路流固耦合振动的行波方法。传递矩阵法适用于较简单的管路系统，不适合形状复杂的管路系统。西北工业大学的任建亭等研究了管路流固耦合振动的行波方法，行波法是根据充分利用管路中振动波的传播和反射规律，结合系统微分方程的解析解建立的系统动力学模型，运用该模型可以计算出考虑流固耦合的管路系统振动的精确解。行波法建模相对容易，可以对较复杂管路系统进行计算。

（3）非恒定流充液管系统耦合振动特性。华中科技大学的杨超基于Timoshenko梁理论，推导出了非恒定流体管路的耦合振动的微分方程，并以此微分方程为基础，推导出管路在流体作用下在轴向扭转、拉压与截面方向弯曲的耦合振动方程。进一步推导出了不考虑转动惯性影响的流体管路系统轴向拉压与截面方向弯曲的耦合振动方程。在具有周期性脉动液体作用工况下，联合两端支承充液管系统的运动微分方程，通过设定无量纲参数和变量，推导出了非恒定流充液管路耦合非线性运动方程的无量纲形式。最后根据流体直管耦合非线性运动方程推导出了流体直管段的轴向振动、横向弯曲振动和扭转振动的流固耦合拟线性方程。

2 流固耦合有限元方法研究

目前可以进行管路系统流固耦合计算的商业软件有ANSYS和NASTRAN。由于管路系统中管路与液体之间的耦合作用比较复杂，并常含有泵、阀门、弯管等强流固耦合元件，当这些连接元件沿管路作轴向运动时，液体与管路之间发生连接耦合，造成有限元建模非常困难。因此，管路系统流固耦合有限元方法的关键技术是处理哥氏力以和管路系统中泵、阀门、弯管等边界条件。利用试验数据对有限元模型进行校正，可以大幅促进有限元技术的发展。上海交通大学的郭庆等研究了管路系统流固耦合振动的机制，利用有限元软件ANSYS进行输液管路流固耦合振动仿真计算，研究了不同支撑方式、不同管路长度、不同流体流速时，输液管路流固耦合振动情况；总结了流固耦合、支撑方式、管路长度、管路类型等因素对管路振动和固有频率的影响。得到了通过改变管路的支撑方式和相邻支撑结构间距离来改变管路的固有频率的方法，以避免管路共振的发生。

3 管路系统流固耦合试验研究

（1）国内试验研究。国内关于管路系统流固耦合的试验研究相对较少。昆明理工大学的张立翔等人在某长距离管路系统上进行了耦合水击波动特性试验，发现长管路水击波动受多种耦合因素的影响，波动特性十分复杂。波动特性是系统状态的函数，通过控制多种耦合效应改变压力波动的特性，能有效地控制水击压力的增加。华东船舶工业学院的唐春丽等人在1.5m长的直管路模型上，采用单点平稳随机激励的方法，分别对空管、管中加水、管中加油等工况，进行了试验模态分析，获得了各种工况下前五阶模态频率、振型以及模态阻尼。通过试验对比发现，不同情况下的充液管路，模态参数有很大的差别，对于不同的液体，随着液体重量的增加，管路系统相应的模态频率呈递减趋势；充液管路系统属于小阻尼系统，模态相同时，阻尼随着管路系统中的水量的增加而增大；不同情况下的同一阶模态的振型节点位置会有所移动，形状也会发生变化，但是差别较小。

（2）国外试验研究。国外关于管路系统的流固耦合试验研究已经达到了较高的水平。S.R.Reid研究了管路的尾击效应，分析了在管路破口处产生的流体动力作用下，悬臂管路的响应问题。采用不锈钢管路，管路直径与壁厚之比分别为19.5、28、32，得到了不同几何尺寸管路的抖动响应特性。WemerErath分析了高压泵突然停泵或阀门突然关闭引起水锤时，流固耦合作用的建模问题，并通过试验测量了作用于管壁上的压力值。结果表明，当支撑较少、刚度较低的薄壁管路系统中存在水锤问题时，管壁上的流体压力计算必须要考虑流固耦合作用。因为流固耦合可增加系统的有效阻尼，所以考虑流固耦合时，作用于管路和支撑上的荷载减小了，同时流固耦合作用对管路结构固有频率也有一定的影响。OlivieDoar研究了管内流体导致的悬空管道失稳现象，分析了管长对管道稳定性的影响。结果表明，当管长超过一临界值后，管内流体速度引起的失稳现象不再与管道长度有关。H.D.Kim研究了由直角弯头出口释放的冲击波引起的管内流体脉动现象。实验结果表明，直角的斜面弯头对控制管内流体的脉动具有重要作用。

4 管路系统流固耦合技术展望

随着各个领域使用需求的不断发展，管路系统中流体介质的流速和压力将不断提高，针对管路系统流固耦合技术的研究将越来越重要。综合目前管路系统流固耦合技术的研究现状，可以在以下几个方面进行更深入的研究：第一，从流固耦合理论地角度，采用何种更好的分析方法来研究充液管系统的响应，值得进一步深入的研究。第二，计算机技术的快速发展，使得流固耦合技术的有限元分析方法成为最有潜力的数值计算方法，进一步针对该方法的研究将使流固耦合技术的应用更加普遍。第三，加强复杂管路系统流固耦合技术的试验研究，对于验证现有流固耦合理论在复杂管路系统上的正确性和适用性具有重要的意义，试验研究的结果也可以作为验证有限元分析结果精度的参照。第四，从流固耦合技术的角度研究管路系统减振降噪的措施，比如合理的设计管路系统的布局、确定约束位置、采用阻尼材料对管路振动进行被动控制等，将使得针对管路系统的流固耦合技术更具实际应用价值。

5 结语

管路系统流固耦合技术是影响管路系统减振降噪以及安全性的重要技术，本文通过对近年来管路系统流固耦合技术的相关文献进行归纳整理，综述了管路系统流固耦合技术的研究现状，探讨了管路系统流固耦合技术的发展趋势，认为针对管路系统的响应研究、流固耦合技术的有限元分析方法研究、复杂管路系统流固耦合技术的试验研究和从流固耦合技术角度出发的管路系统减振降噪措施研究等进行更深入的研究具有重要意义。

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图8 压尾板装置示意图

TH137

A

1671-0711（2016）10（下）-0131-02