流固耦合对输液管道动力学特性的影响

流固耦合对输液管道动力学特性的影响

1波纹管动力学特性波纹管作为一种输液管道，在建筑、化工、冶金、能源、水利、航空、原子能等领域得到广泛应用。管径的不断变化,使得薄壁弹性大、易变形、刚度差、常被用于管路系统的连接件,也用于管路热补偿、隔振、降噪。由于其几何特征的复杂性,以及管内充满着流动的液体或者气体介质,使得管道产生了复杂的流固耦合或者气固耦合动力学特性。目前,对波纹管的设计,通常只考虑静态特性。随着工业产品技术指标的不断提高,要求在波纹管的设计、制造、安装和使用各阶段都要全面考虑静、动态特性。因此,波纹管动力学特性的研究成为了振动领域内的热点问题。由于波纹管结构的复杂性,多采用数值分析方法。例如,利用ANSYS软件对波纹管进行了模态分析,求出了其固有频率和振型,分析波纹管结构参数对动力学特性影响的规律。上述研究中均为忽略了流体对结构的耦合作用,不能真实反映出结构的动力学特性。部分学者考虑了流固耦合的作用,研究了直线式波纹管的动力学特性,分析了产生振动的机理。但文中并未详细阐述流固耦合的处理方法。以折弯式波纹管为例,首先研究波纹管的有限元建模方法,其次数值研究流固耦合对波纹管振动特性的影响。2折弯波纹管模型的建立2.1基准直径、长度、管道长度和管道连接端厚度波纹管为折弯式,长度为0.18m,折弯处圆角半径是0.02m,基准直径为0.01m,波动幅度为0.003m,波纹数17,管壁厚度为0.001m。管道两端圆管作为管道连接端,长度为0.02m,管壁厚度仍为0.001m。Pro/E中的实体模型,如图1所示。2.2导入pro/e模型为了方便快捷的对波纹管填充流体,则需将上述建立的Pro/E波纹管模型导入ANSYSWorkbench中,导入方法有两种:(1)在ANSYSWorkbench环境下,直接调入Pro/E的模型文件(格式为IGES)。但是模型特征繁多或结构比较复杂时,导入的模型很可能产生模型破裂、丢失部分面等情况,直接影响模型后续分析的准确性。如图2所示,折弯处有模型破损。(2)通过无缝连接功能导入Pro/E模型该方法使得模型数据转换快捷、完整。并在ANSYSWorkbench中利用填充功能,创建流体模型,填充流体后的波纹管模型,如图3所示。3网格局部加密双向流固耦合分析是考虑固体变形和流场变化相互影响的分析。对于波纹管,流场与固体接触面是复杂的曲面,为了避免流场网格的变形错误导致计算结果不准确或者计算过程不收敛,采用ANSYSICEM网格划分技术对有限元模型进行网格划分。在生成网格时,技术可实现边界层网格自动加密、区域网格局部加密等,最关键的是能够使流体和固体的单元节点匹配,使得多场求解器MFS和MFX都能很好地完成流体计算结果和固体计算结果的数据传递,提高流固耦合分析的精度。对于流体和固体接触面单元来说,如果使用四面体单元,则由于四面体单元在某一特定方向拉长时,其数值求解特性会变差,计算误差大,方程不易收敛,所以使用六面体网格可以大大减小计算误差。采用自顶向下的建块方法,分别建立了block1和block2。block1代表管道的块,block2代表流体的块,并且分别对波纹管和流体采用了O型块,以提高网格质量。特别注意的是,波纹管折弯处的六面体网格,由于这个位置是应力集中比较大的地方,所以要对此部位要局部网格加密。整体波纹管网格效果图,如图4所示。波纹管纵向和折弯处的网格截面图,如图5、图6所示。能够更清晰的看到流体和管道单元接触处节点的匹配性。4固有频率的计算为了分析流固耦合对结构动力学特性的影响,分别数值计算了不含流体的波纹管、含流体但无流固耦合的波纹管、有流固耦合的波纹管等三种情形的固有频率,并对计算结果做比较。其中在计算流固耦合作用下波纹管的固有频率时,一定要建立流固耦合面。因为是双向耦合,所以选取流体网格中和管壁接触的面上所有节点,添加耦合标签FSI;同样选择管壁网格中和流体接触的面上所有节点,添加耦合标签FSI,流固耦合面设置成功,流体和固体的载荷可以在耦合面上进行传递。4.1流固耦合单元结合波纹管的几何结构和材料的非线性特点,波纹管选用Shell93壳单元,此单元特性符合波纹管非线性特征要求,而且可以用较少的单元数目很好的模拟波纹管的曲面形状。流体和流固耦合面的单元类型选择为FLUID30和FLUID29。管道材料为不锈钢,流体材料为常温下的水。具体参数,如表1所示。4.2约束位移0在波纹管两个端口的管壁环形面上施加全约束,约束位移为0。根据计算需要,对波纹管流体自由边界处节点的压力自由度值设置为0,其目的是使得流体边界处节点处于静压力下。4.3流固耦合对管道固有频率的影响利用子空间法进行模态提取,计算前六阶模态,固有频率。如表2所示。由表2可以看出相对于不考虑流固耦合以及空管的情况,考虑流固耦合时管道系统的各阶固有频率明显降低,固有频率平均下降18.2%,而相比较,对管道各阶频率的振形没有太大影响。很多输液管道工程分析和实际应用中常常忽略流固耦合作用的影响,从而造成计算可信度和精确度的降低,从图表中表明,流固耦合作用对系统的固有频率影响较大,可见在输液管道系统的仿真过程中考虑流固耦合效应的重要性。5几何模型的导入对于几何结构复杂的波纹管,采用Pro/E和ANSYSWorkbench混合方法建模是非常有效的。将Pro/E中的几何模型以无缝连接方式导入ANSY