基于Workbench的管道流固耦合模态分析

郑瑞+董山东

摘 要：本文对管道进行流固耦合模态分析，研究了管道长度、管道形状及管道材料对其固有频率的影响。结果表明，流固耦合作用能降低管道的固有频率；随着管道长度的增加，管道的固有频率逐渐减小；波纹管的固有频率值最小；6061铝合金管的固有频率值要大于紫铜管。本文的研究对于提高制冷管道运行的可靠性具有重要的理论意义。

关键词：管道；流固耦合；数值分析；固有频率

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动的主要原因，这种管道壁与管道内流体的相互作用对管道的动力学特性有着直接的影响。Olson[1]等采用梁单元计算管道流固耦合问题。王世忠[2]等利用反对称矩阵方法对输液管道进行流固耦合分析。为了能更好的反映流固耦合作用对管道的动力学特性的影响，本文采用管道的简化模型，研究了管道长度、形状及管材料对管道的动力学特性的影响，本文的研究对于提高管道运行的可靠性具有重要的理论意义。

2 制冷管道数学模型的建立

2.1 管道流固耦合分析數学模型

本文采用单向耦合法在Workbench中对管道内部流场及结构场进行分析。

单向流固耦合的理论基础[3]：

（1）流体流动要遵循的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。

3 仿真分析

3.1 管道长度对管道固有频率的影响

将简化后的管道模型长度分别取值为240mm、300mm、360mm、420mm和480mm五组不同数据，分别分析管道在有无流固耦合作用的两种状态下固有频率的变化，结果表明，随着管道长度的增加，其固有频率逐渐减小。在管道的设计中，应选择合适的长度。通过对比有无流固耦合作用对管道的固有频率的影响时发现，流固耦合作用能降低管道的固有频率值，但对其模态振型和各阶固有频率有不同程度的影响，但影响程度均较小。

3.2 管道形状对制冷管道固有频率的影响

选取长度为240mm的三种不同形状的管道：光滑管、波纹管和内螺纹管。通过改变内螺纹管的螺距和圈数，观察其在流固耦合作用下的固有频率的变化情况。内螺纹管1：螺距5mm，圈数40；内螺纹管2：螺距3mm，圈数66；螺距2mm，圈数100。

结果表明，波纹管的固有频率最小，其余管型的固有频率分布较密集，其值略有差别，并随着阶数的变化，固有频率的差值逐渐增大。在三种内螺纹管中，随着内螺纹圈数的增多，固有频率逐渐减小。

3.3 管道材料对管道固有频率的影响

管道常用是材料有：紫铜和铝合金。本文以6061铝合金为例，分析比较两种不同材料的管道在流固耦合状态下的固有频率。

结果表明，6061铝合金管的固有频率值要大于紫铜管的固有频率值。

4 结语

（1）流固耦合作用能降低管道的固有频率值，但对其模态振型及各阶固有频率的影响均较小。管道长度的增加能有效的减小管道的固有频率，但随着管道长度增加的同时，管道的变形也会增加。变形的增大会引起管道的破损，故在管道长度的选择上要两者兼顾取最优值。

（2）管道长度、形状和材料的选取要综合考虑工艺性和经济型。波纹管及内螺纹管的制作工艺要比光滑管复杂，势必会增加额外费用。铝合金与紫铜管相比，价格较低，但其柔性不如紫铜管。

参考文献：

[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.三维管道固液耦合振动分析[J].哈尔滨工业大学学报，1992，24（04）：43-49.

[3]宋学官，蔡林，张华.ANSYS流固耦合分析与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2012：3-4.