摘要：文章通过专业有限元软件ANSYS实现对不同约束条件之下输流管道中的瞬态流固耦合动力学以及模态分析，获得在不同约束状态之下管壁特征点的位移图以及其固有频率信息，研究在不同约束条件状态之下瞬态流动对于输流管道动力学产生的影响。确定了通过对管道约束方式进行调整的方式可以达到减少管壁位移以及应力的目的，其中管壁最大位移以及最大的应力会受到位移以及加速度的绝对值影响，综合流固耦合则就会降低管道固有频率。
关键词：不同约束条件；瞬态流动；输流管道动力学；影响；
管道是化工、石油等行业中重要的介质传输元件。管道振动问题是影响其持续发展的重要因素。随着现代技术手段的不断成熟，分析不同约束条件下瞬态流动对输流管道动力学的影响，可以为束流管道动力学分析提供参考与支持。因此，要加强对不同约束条件中瞬态流动给输流管道动力学产生的影响进行分析研究。
一、输流管道动力学
管道是工程介质传输的关键设备，在各个领域中应用广泛。在现代工业发展中，管道在各种介质传输中广泛应用。这样就会导致管路受到流速变化、弯头等多种因素的影响出现变形以及振动等问题。而管道结构的变形也会给管道中流体流动状态产生应用，这种管内流体以及管道之间相互作用的问题就是流固藕合。
流固藕合会造成管道系统振动性问题，这样在降低管道运行可靠性的过程中也会影响仪表精准度。导致管道系统运行工况不断恶化，严重的会造成管道连接渗漏、爆裂甚至操作系统失效等问题。
管道系统因为稳态激励以及瞬态激励的响应产生管道振动。瞬态激励是影响管道系统振动的主要因素。稳态激励是一种管道连接中产生的动力机械周期性运动变化，在惯性力以及压力的周期性变化作用之下造成的；而瞬态激励则就是在偶然荷载作用之下，受到流体非稳态流动、气锤以及地震荷载等因素的作用而产生的[1]。
管道结构主要有静力以及动力学两种分析方式，静力学分析的主要内容就是在稳定外荷载作用之下产生的应力以及位移。管道固有频率会影响管道的振动。模态分析主要就是研究管道的振动特征。管道内部中流体的流动会直接的影响管道的结构变形。综合流固耦合会精准的分析管道结构变形状况，而不同动力设备频率以及阀门在开启中会降低管内流体的流动性，因此要对其进行动力学分析。
二、分析不同约束条件下瞬态流动对输流管道动力学的影响
分析在不同约束条件之下瞬态流动对于输流管道动力学产生的影响，可以为相关研究提供参考与支持。
（一）流固耦合
流固耦合主要就是分析在流场作用之下固体的相关行为以及固体变形对于流场产生的影响。固体结构与流体接触之后受到流体力作用影响中产生响应，造成的流场改变，而流场的变化会通过力的形式反馈给固体结构，这样则就会形成整体性的流固耦合系统[2]。
双向流固耦合则就是固体结构以及流体之间的信息数据传递，其包括了固体结构分析结果与流体之间的传递，也涵盖了流体分析结果与固体之间的传递，在传递中要遵守守恒原则。在流固耦合交界面中要满足应力、位移以及热流量、温度等相关参数相等或者守恒的基础原则。
（二）动力学分析
瞬态动力学分析主要就是进行结构在承受任意的受到时间变化影响的荷载动力的方式。通过ANSYS瞬态动力学模块可以计算分析结构的稳态荷载、瞬态荷载以及简谐荷载组合作用之下在时间变化中产生的应力、位移等等[3]。
管道主要通过四种约束方式进行处理：第一种约束就是仅仅在管道两端中施加固定的约束；第二种约束是在管道入口位置、弯头的出口位置施加固定性的约束；第三中约束则就是在弯头入口位置以及管道的出口位置施加固定性的约束；第四种约束则就是在管道两端以及弯头出口位置进行固定约束处理。
通过分析四种不同约束条件之下输液管道流体顺变过程，可以发现：对比此种方式发现第二种约束相对于第一种方式来说管壁位移有效减小，管壁应力也降低了0.85~9.13%左右；对比第三种以及第一种约束来说，管壁位移 变化在-40.79%~19.02%区间范围中。其管壁应力呈现下降趋势，区间范围在26.29%~52.33%；而对比第四种以及第一种约束则发现管壁最大位移约减小11.2%~77.0%左右，其管壁应力的下降区域在11.0%~60.8%区间范围中。
管道输送瞬态流体中随着流体速度的不断变化会出现不同程度的振荡问题，而随着瞬态逐渐呈现稳态状态，输液管道中的振荡程度则呈现弱化的趋势。通过分析不同约束状态之下其最大位移曲线以及最大应力曲线信息则可以确定第二种以及第四种约束状态之下其位移显著小于第一种、第三种状态之下的最为位移；第三种状态之下的最大位移参数则要高于第一种；第三种最大应力最小、次之为第二种；第一种方式的最大应力则高于第二种的最大应力；第一种约束以及第二种、第四种约束的最大应力要高于第三种约束的最大应力。
分析第一种约束模式之下管壁特征位置则可以发现特征点位置与加速度的绝对值之间有着关联；分析在不同约束条件之下管系之间的最大位移一级级最大应力，分析其加速度最大时态中也可以达到最大化；通过分析其最大位移则主要在第八个以及第四十七个荷载位置上；在管道入口位置其加速度的最大数值参数主要就是在第五个以及第四十五个荷载位置，时间滞后主要就是因为管道入口以及其特征点之间还是存在无法忽略的位移问题[4]。
（三）流固耦合模态分析
通过模态分析可以确定结构的固有频率以及振型等信息。通过计算分析管道两端中第一种约束与弯头入口位置、管道出口固定约束状态之下是否分析流固耦合状况之下管道的前6阶固有频率以及对应的振型，如表1。可以发现在相同的约束条件之下，综合流固耦合中管道自身的固有频率要低于忽略流固耦合状态中要低；在不同的约束条件之下，管道自身的固有频率则呈现较大的变化。在实践中要综合流固耦合因素，通过转变约束条件以及避免管道固有频率与激励频率之间的共振问题。
表1.管道固有频率参数
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三、结论
分析管道流固耦合瞬态动力学仿真结果可以获得如下结论：
1.管道在进行瞬态流体输送过程中会诱发振荡等问题，但是瞬态如果变为稳态则管道振荡则就会逐渐减弱。
2.合理的进行管道约束方式调整可以有效降低管壁变形以及应力的问题；管系最大位移以及最大的应力参数、弯管特征位置与加速度绝对值有着关系。
3.弯管管道要根据实际状况合理选择使用的具体约束方式。综合不同约束条件之下管道的固有频率参数变化，综合流固耦合降低管道固有频率参数通过调整约束条件的方式则可以避免共振问题。
参考文献：
[1]袁松松.输流管道动力学分析及减振研究[D].兰州理工大学，2017：12-16.
[2]梁瑞，袁松松，马东方.不同约束条件下瞬态流动对输流管道动力学的影响[J].兰州理工大学学报，2018（3）125-126.
[3]邵沛泽.充液输流管动力学分析与参数优化设计[D].2015：8-10+15.
[4]华颖钰.输流管道动力学问题的数值计算研究[D].2015：7-9+26.
论文作者:符凤姣
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/30
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