【摘 要】
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输流管结构在工程中有着广泛的应用,其流固耦合振动行为呈现出丰富的动力学特性。本文采用流固耦合（FSI）仿真技术对不同工况和构型输流管的动力学特性展开了研究。主要内容如下:1、在进行复杂构型输流管研究之前,需要对FSI仿真模型加以验证。采用Galerkin法和绝对节点坐标法（ANCF）分别对输流直管和输流曲管进行了动力学理论研究,并开展了悬臂输流直管振动的相关实验;将理论和实验得到的线性特性、非线性
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输流管结构在工程中有着广泛的应用,其流固耦合振动行为呈现出丰富的动力学特性。本文采用流固耦合（FSI）仿真技术对不同工况和构型输流管的动力学特性展开了研究。主要内容如下:1、在进行复杂构型输流管研究之前,需要对FSI仿真模型加以验证。采用Galerkin法和绝对节点坐标法（ANCF）分别对输流直管和输流曲管进行了动力学理论研究,并开展了悬臂输流直管振动的相关实验;将理论和实验得到的线性特性、非线性响应与FSI结果对比,验证了FSI模型的准确性。2、考虑流体的黏性,揭示了两端支承输流曲管的湍流激振现象。采用SST k-ω湍流模型描述输流曲管的瞬态流场,分析流场压力和速度的变化情况;定量地分析了流速、动力粘度等参数对输流曲管振动特性的影响,发现流速越大,振动幅值越大,动力粘度越大,振动幅值反而越小;揭示了湍流粘度及雷诺切应力项对曲管振动的影响规律。3、研究了稳定内流、脉动流、水击等工况下,直-弯耦合输流管的面内和面外振动特性。通过研究直-弯耦合输流管的线性特性和非线性响应,发现流速达到7 m/s时发生面外屈曲,达到10 m/s时发生面内屈曲,且面外模态形状随流速增大会发生转变;同时得到了不同脉动内流下直-弯耦合管的振动响应,发现当脉动频率与固有频率比值为0.56时会出现亚谐共振现象。此外,探究了阀门开关引起的水击效应,得到了蝴蝶阀和球阀启停对管内流场的影响规律。4、研究了流场边界、流体介质和脉动流等因素对三维输流管动力学特性的影响。对比速度和压力入口边界,发现速度入口对输流管的固有频率没有影响,而高压入口对其影响较大;但速度的增大会显著增大输流管的静变形位移;同时,流体粘度和密度对输流管的静变形影响也较大;在脉动流作用下,三维输流管会振动,发生亚谐共振时振动幅值显著增大,随着脉动频率的增大,振动模态也会发生改变;此外,为提高三维输流管的稳定性,对结构的尺寸和构型进行了优化设计研究。
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