基于Workbench的管道流固耦合模態分析

鄭瑞+董山東

摘 要：本文對管道進行流固耦合模態分析，研究了管道長度、管道形狀及管道材料對其固有頻率的影響。結果表明，流固耦合作用能降低管道的固有頻率；隨著管道長度的增加，管道的固有頻率逐漸減小；波紋管的固有頻率值最小；6061鋁合金管的固有頻率值要大于紫銅管。本文的研究對于提高制冷管道運行的可靠性具有重要的理論意義。

關鍵詞：管道；流固耦合；數值分析；固有頻率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.021

1 前言

流固耦合作用是引起管道振動的主要原因，這種管道壁與管道內流體的相互作用對管道的動力學特性有著直接的影響。Olson[1]等采用梁單元計算管道流固耦合問題。王世忠[2]等利用反對稱矩陣方法對輸液管道進行流固耦合分析。為了能更好的反映流固耦合作用對管道的動力學特性的影響，本文采用管道的簡化模型，研究了管道長度、形狀及管材料對管道的動力學特性的影響，本文的研究對于提高管道運行的可靠性具有重要的理論意義。

2 制冷管道數學模型的建立

2.1 管道流固耦合分析數學模型

本文采用單向耦合法在Workbench中對管道內部流場及結構場進行分析。

單向流固耦合的理論基礎[3]：

（1）流體流動要遵循的守恒定律包括質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。

3 仿真分析

3.1 管道長度對管道固有頻率的影響

將簡化后的管道模型長度分別取值為240mm、300mm、360mm、420mm和480mm五組不同數據，分別分析管道在有無流固耦合作用的兩種狀態下固有頻率的變化，結果表明，隨著管道長度的增加，其固有頻率逐漸減小。在管道的設計中，應選擇合適的長度。通過對比有無流固耦合作用對管道的固有頻率的影響時發現，流固耦合作用能降低管道的固有頻率值，但對其模態振型和各階固有頻率有不同程度的影響，但影響程度均較小。

3.2 管道形狀對制冷管道固有頻率的影響

選取長度為240mm的三種不同形狀的管道：光滑管、波紋管和內螺紋管。通過改變內螺紋管的螺距和圈數，觀察其在流固耦合作用下的固有頻率的變化情況。內螺紋管1：螺距5mm，圈數40；內螺紋管2：螺距3mm，圈數66；螺距2mm，圈數100。

結果表明，波紋管的固有頻率最小，其余管型的固有頻率分布較密集，其值略有差別，并隨著階數的變化，固有頻率的差值逐漸增大。在三種內螺紋管中，隨著內螺紋圈數的增多，固有頻率逐漸減小。

3.3 管道材料對管道固有頻率的影響

管道常用是材料有：紫銅和鋁合金。本文以6061鋁合金為例，分析比較兩種不同材料的管道在流固耦合狀態下的固有頻率。

結果表明，6061鋁合金管的固有頻率值要大于紫銅管的固有頻率值。

4 結語

（1）流固耦合作用能降低管道的固有頻率值，但對其模態振型及各階固有頻率的影響均較小。管道長度的增加能有效的減小管道的固有頻率，但隨著管道長度增加的同時，管道的變形也會增加。變形的增大會引起管道的破損，故在管道長度的選擇上要兩者兼顧取最優值。

（2）管道長度、形狀和材料的選取要綜合考慮工藝性和經濟型。波紋管及內螺紋管的制作工藝要比光滑管復雜，勢必會增加額外費用。鋁合金與紫銅管相比，價格較低，但其柔性不如紫銅管。

參考文獻：

[1]Olson LG，Jamison D.Application of a general purpose finite element method to elastic pipes conveying fluid[J].Journal of Fluids and structures，1997，11（02）：2.

[2]王世忠，王茹.三維管道固液耦合振動分析[J].哈爾濱工業大學學報，1992，24（04）：43-49.

[3]宋學官，蔡林，張華.ANSYS流固耦合分析與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2012：3-4.