管道插入部件振動分析方法研究

曾兆強 劉洪佳 昃 彬 季龍慶 中海油石化工程有限公司 濟南 250101

在工業設計與生產中，管道插入部件如熱電偶溫度計、插入式電磁流量計、插入式取樣器等較為常見。隨著對工程項目安全運行要求的提高，管道插入部件的振動分析與控制要求受到越來越多的關注。這種管道插入部件的振動對儀表部件的可靠運行產生不利影響，輕者降低其測量精度和使用壽命，嚴重者可導致連接處流體介質泄漏等事故的發生，如可燃、有毒等特殊管道插入儀表部件處泄漏可導致裝置的停產及傷亡事故[1]。因此，減小、避免管道插入儀表部件的振動，對工藝生產的連續運行和安全至關重要，研究管道插入儀表部件振動的產生原因及分析方法有很大的工程意義。

工程中常見的管道插入結構多為圓柱形，管道內插入部件的流致振動是由于繞流旋渦脫落導致的共振現象，流體流過管道插入部件會產生周期性旋渦脫落[2-5]，產生對管道插入部件的渦擊振動，當激振力頻率與插入部件的固有頻率接近時，插入部件振動加劇或產生共振，進而導致插入部件結構疲勞破壞。

本文以工藝管道內介質流動導致的取樣管探頭振動進行了CFD仿真分析和模態分析，通過計算獲得不同流速下繞流旋渦脫落的頻率，進一步明確了斯特勞哈爾數的取值范圍，為管道插入部件設計以及安裝提供參考，同時為工程中發生類似振動的問題提供分析思路和方法。

1 流體域數值模型與計算方法

以DN1000管道內取樣管探頭為研究對象，取樣管探頭示意圖見圖1，流體計算域見圖2。

圖1 取樣管安裝示意圖

圖2 流體計算域及邊界條件

采用二維模型瞬態進行仿真計算，取樣管探頭位于管道中心，固定于計算流場中，坐標原點位于取樣管中心，流體從左側沿X方向流入，從右側流出，取樣管探頭外徑27mm，入口距取樣管中心為200mm，出口距取樣管探頭中心為1300mm，計算域范圍為-200≤x≤1300，-500≤y≤500。使用水為流動介質，溫度T=20℃，密度ρ=1000kg·m-3，動力粘度為μ=1.003×10-3pa·s。入口采用速度進口(velocity-inlet)邊界條件，出口采用壓力出口(pressure-outlet)邊界條件，出口壓力等于標準大氣壓，取樣管及管道為壁面邊界條件，計算采用標準K-ω模型，控制方程包括連續性方程和N-S方程：

(1)

(2)

(3)

式中，u和v為速度分量，t為時間，P為壓力。

動量方程選擇QUICK格式進行離散，壓力項離散選擇Standard格式[6]，非穩態項選擇二階隱式離散，壓力速度選擇SIMPLEC算法[7]，時間步長取0.001s，殘差取10-3，為了提高計算精度，對取樣管探頭周圍進行網格加密，網格見圖3。

圖3 計算域網格劃分

2 取樣探頭仿真計算結果與討論

分別對入口流速V=3m/s、4m/s、5m/s、6m/s進行仿真計算，獲取不同速度下的流場，對取樣管探頭中心下游20mm處壓力進行監測，不同工況下的數值計算結果如下：

2.1 漩渦產生與發展過程

取樣管探頭后漩渦產生與脫落，在一個完整周期(T=0.042s)的發展過程渦量見圖4。在t=0.25T時,漩渦在取樣管探頭右下側往右上側產生后開始脫落；t=0.5T時，漩渦開始脫離取樣管探頭，順時針向右下方發展；當t=0.75T時，漩渦完全脫離取樣管探頭，強度達到最大；當t=1T時，漩渦逆時針旋轉發展至與取樣管探頭中心線位置，強度減弱，同時下一個漩渦開始產生，產生周期性漩渦脫落現象。漩渦的產生與脫落過程對取樣管探頭產生周期性激振力，取樣管探頭會產生振動，當漩渦的產生與脫落頻率接近取樣管探頭固有頻率時，取樣管探頭會產生強烈的受迫振動。

2.2 速度場

不同流速下的速度云圖見圖5。

從云圖可以看出，不同流速下漩渦的產生與脫落發展規律基本一致，從取樣管探頭后右下側往右上側產生并脫落，往下游接近正弦曲線擴散直至消散，隨著流體介質流速的增大，漩渦發散的范圍擴大，旋轉強度增加。

圖4 取樣管探頭漩渦產生與脫落發展過程

圖5 t=2s時不同介質流速下的速度云圖

不同介質流速下的速度矢量圖見圖6。

圖6 t=2s不同介質流速下的速度矢量圖

從速度矢量圖可以看出，隨著流速的增大，速度場得到加強，漩渦密集程度增加，漩渦產生與脫落周期變短，漩渦影響范圍擴大。

2.3 壓力場

不同介質流速下的動壓云圖見圖7。

圖7 t=2s不同介質流速下的動壓云圖

從動壓云圖可以看出，在取樣管探頭前鋒與后側動壓減小，而在取樣管探頭上下側動壓增大，隨著流速的增大，動壓變化范圍增大，同時漩渦脫落周期變短，漩渦影響范圍擴大。

2.4 取樣管探頭下游壓力監測分析

對距取樣管探頭中心下游20mm處壓力進行監測，不同介質流速下動壓隨時間的變化曲線見圖8。從圖8可以看出，隨著流速的增大，壓力波動范圍增大，與速度場變化規律基本吻合。

同時，對壓力曲線進行傅里葉變換，得到不同流速下的頻域圖，見圖9。從圖9看到，當V=3m/s時，漩渦產生與脫落頻率約等于24Hz；V=4m/s時，漩渦產生與脫落頻率≈29Hz；V=5m/s時，漩渦產生與脫落頻率≈35Hz；V=6m/s時，漩渦產生與脫落頻率≈40Hz。可見，隨著介質速度的增大，漩渦脫落頻率增加。

根據斯特勞哈爾數St=fd/u，不同流速下的斯特勞哈爾數計算值如表1，不同介質流速下斯特勞哈爾數的平均值等于0.195，一般工程取值0.2～0.5，仿真計算結果基本符合根據斯特勞哈爾數的使用范圍。

表1 不同流速下的斯特勞哈爾數

圖8 取樣管探頭下游20mm處不同介質流速下動壓曲線

圖9 取樣管探頭下游20mm處不同介質流速下動壓頻域

3 取樣管探頭模態分析

使用ANSYS WORKBENCH對取樣探頭進行模態分析，考慮流體介質對取樣探頭的影響，得到取樣探頭濕模態下的前六階固有頻率，見表2。不同固有頻率下的振型圖見圖10。

表2 取樣探頭前六階固有頻率

圖10 不同固有頻率下取樣管探頭振型

取樣管探頭的一階固有頻率為29.076Hz，與流速V=4m/s時，流體在取樣管探頭產生的旋渦脫落頻率29Hz接近，取樣探頭產生共振，導致取樣管探頭產生較嚴重的振動現象。需提高取樣管的固有頻率，因介質最大流速為6m/s，取樣管探頭一階固有頻率提高至2倍最大旋渦脫落頻率即80Hz以上，以避開共振頻率。

4 結語

本文通過CFD軟件FLUENT對管道內取樣管探頭的流場進行了模擬分析，獲得了不同介質流速下的速度場、壓力場以及取樣管探頭下游20mm處動壓時域曲線以及頻域曲線，同時對取樣探頭進行模態分析，得出以下結論：

(1)采用詳細的CFD模擬分析,可以準確的計算不同流速下的渦流激振頻率，分析結果與斯特勞哈爾數經驗方法擬合度較高。

(2)流體流過管道插入部件時會產生周期性旋渦，并隨著流體流動方向傳播，最后消散，旋渦在管道插入部件處脫落時對其產生周期性激振力，漩渦脫落導致的壓力波動是產生該激振力的原因。

(3)漩渦脫落頻率與介質流速及插入部件尺寸相關，脫落頻率與流速成正比。工程設計中，確定部件尺寸后，應結合工藝操作確定可能出現的所有流速，并計算各流速下的漩渦脫落頻率。

(4)通過CFD分析，驗證了斯特勞哈爾數的正確性。為避免插入管道內儀表的流致振動，采用斯特勞哈爾數計算管道插入部件渦流脫落頻率時，其取值宜位于0.18～0.3之間，應計算最大和最小漩渦脫落頻率，并將管道插入部件一階固有頻率提高至2倍最大旋渦脫落頻率以上。

(5)當管道插入部件雷諾數超過104時，建議采用CFD軟件計算漩渦脫落頻率，以提高工程設計的可靠度。