基于模态减退法的管道系统振动控制研究

基于模态减退法的管道系统振动控制研究

萃取管的动态特征主要来自对静态激励和瞬态激励的响应。瞬态激励是由于压缩机或泵的间隙性加压造成的流体压力脉动所引起的。由于间隙加压,管道内的压力值以平均值上下波动,即流体非定常流动产生的压力脉动。在管道的弯曲部位,压力脉动就会产生相应的随时间变化的激振力,导致管道振动。在管路系统工作过程中,经常会出现由于液体压力脉动而引起的输液管道系统耦合振动现象的出现。输液管道耦合振动常导致噪音污染,甚至导致管道系统的破坏和源动力机械的损坏,造成重大经济损失。因此以折弯式管道为例,分析了在高频振荡流体载荷的作用下管道的耦合振动特性以及振动控制。2节点坐标系的建立Wiggertetal.研究了输流管道流固耦合动力学系统,假设管道变形在线弹性范围内,不考虑屈曲和径向惯性,流体在低马赫数范围内,不会产生气蚀现象时,其运动微分方程为:(.)—变量对时间的导数;u,v,w—管道在x、y和z方向上的位移;a=(Kf/rw)/(1+KfD/E*t),E*=E/(1-μ2),E、Ap、mp、μ、p、Ip、G、J、rw、V、D、τ、e、Kf—弹性模量、横截面积、管轴向单位长度的质量、泊松比、压力、截面惯性矩、刚度模量、极惯性矩、流体密度、流速、管内径、管壁切应力、管壁厚和流体体积模量。B.Sreejith在方程(1)的基础上,运用伽辽金法推导出了管内流体产生压力波动时的流固耦合方程,表述如下:式中:[M]、[K]—管道的质量矩阵和刚度矩阵,—结构方程中轴向位移形状函数。Np,NV—流体压力和流速的形状函数。N′p—X方向梯度的形状函数。方程中的S222表述管内流体与结构之间的波松耦合,而{f(t)}以力的形式来描述管道折弯段的结合部耦合。对于流固完全耦合方程(2),在数值计算时,由于数据量过于庞大,往往出现溢出错误,使得数值分析难以完成。为此,JayarajKochupillai利用模态分析方法,引入模态变换,可通过管道和流体的振型分别来代换变量u和V,即:式中:[φS],[φf]—管道和流体的振型矩阵。将方程(3)代入方程(2)中,整理可得:因此,方程(2)中的结构变量和流速变量通过模态变换转成为节点坐标系中的变量,这样以来压力值可不用经过变换而直接求解。从而解决了由于方程(2)中矩阵过大而产生的溢出问题。3系统建模3.1管道的密度管道系统的模型,如图1所示。管道材料为聚乙烯,管道内径D=26mm,壁厚τ=3mm,弹性模量E=1.1GPa,泊松比μ=0.42,密度rp=950kg/m3,管长2m。3.2输液管道系统的有限元模型输液管道流固耦合振动仿真是利用ANSYSWorkbenchCFX软件的多物理场求解器来完成的。在分析过程中,根据所建立模型的实际情况,管道两边固定支撑,即分别约束管道两端6个方向的自由度。管道右端流体进口处施加连续脉动压力,左端出口处参考压力为0Pa(以上均为表压)。弯头处只做结合部耦合处理,即只考虑管道弯头形状改变而引起流体压力变化,而并不考虑弯头的形状、质量以及流体压力变化对管道产生“拉直”效应。使用ANSYSWorkbench建立管道结构有限元模型,使用CFX建立流体的有限元模型,分别给管道和流体在流固交界面上添加相同的流固耦合标签。这样以来在每个时间步中结构和流体之间均可以实现双向载荷传递,即ANSYSWorkbench把所求解管道的位移作为载荷传递给CFX求解器来计算流场,此后CFX又把计算出来的流场压力作为载荷传递给ANSYSWorkbench来求解管道振动,反之亦然。经过若干次上述迭代过程直到此时间步都收敛,然后计算下一个时间步,最终得到整个时间历程耦合场的解。在计算过程中值得注意的是求解过程中的收敛的问题。在边界条件设置合理的前提下,导致求解不收敛主要是由于流场不收敛引起的。这个可通过提高网格质量、加密单元格和设置相对较小的时间步长来解决。但相对较小的时间步长和过密的单元格又会使得计算时间过长。为此要建立输液管道系统的对称有限元模型。建立管道系统的对称模型可节省大量的计算时间和计算机资源,而并不会影响到数值计算的精度,与此同时采用分布式计算方法来获得相对较短的计算时间。采用ANSYSWorkbench-CFX软件分别建立在带有孔板和不带有孔板情况下输液管道系统的有限元模型。其中流体元为CFX软件自带单元,结构单元采用Solid186。有限元求解器为ANSYSSimulation;CFD求解器采用CFX-Solver。4表中动态特征的分析4.1流固耦合作用对系统的固有频率影响假设在常温下,管内流体为25℃下的水,管道进口水压表达式为:p=6.2E5sin100tPa。空管以及管道系统在考虑流固耦合与否的情况下的前10阶固有频率,如表1所示。相对于不考虑流固耦合,考虑流固耦合时管道系统的各阶固有频率明显降低。由此表明,流固耦合作用对系统的固有频率影响较大。仿真结果表明整个系统在折弯处振动最强,其原因在于管道在折弯处的结合部耦合。管道系统的最大振动位移出现在C截面处,计算结果(图略)。管道C截面的总位移。可以看出管道系统在3.6s后趋于稳定,稳定后C截面的最大振幅为3.161mm。管道C截面处X、Y和Z方向位移。其中,Y方向的振动在3.6s后趋于稳定,稳定后位移幅值为2.59mm;Z向在稳定后位移幅值为1.87mm,稳定时间为2.7s;X方向稳定时间很短,稳定后的位移幅值为0.018mm。分析结果表明系统在C截面处的振动取决于管道轴向振动,而其他两个方向的振动较小。4.2不同方向的节流孔板对振动的影响为了对结构的振动进行控制,在输液曲管A处安装节流孔板。基于消减气流脉动的孔板设计算法,确定了节流孔板的孔截面积为管道内截面积16.5%。管道系统其他条件不变,计算节流孔板对系统振动的抑制效果,其结果,如图2所示。计算表明节流孔板使得整个管道系统的振幅有所下降,尤其管道C截面的振幅下降最为明显,且系统振动在相对较短的时间内趋于稳态。管道C截面处总位移,如图2(a)所示管道系统稳定后的位移幅值为2mm,稳定时间为2.7s。相对于无节流孔板,稳定后的总位移幅值下降了36.7%;稳定时间提前了25%。管道C截面处X、Y和Z方向位移,如图2(b)所示。相对于无节流孔板,稳定后的Y方向位移幅值下降了23.6%;稳定时间提前了29.2%。X和Z方向位移幅值相对于Y方向较小,对整个系统的振动影响较小。综上所述,通过在出口处安装合适的节流孔板,对加快管内流场的稳定和抑制管道的振动有一定的作用。5动：动—结论在高频振荡流体载荷的作用下,折弯式输液管道系统最大振动产生在折弯处,折弯处轴向