流體誘發管道振動的機理及相應的研究方法概述

2017-02-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

流體誘發管道振動的機理及相應的研究方法概述cfd分析案例圖片1

本文根據豆丁網《流體振動》一文整理編輯而成,作者不詳。

流體誘發的振動作為專門的學術研究領域,從形成、發展到逐漸成熟迄今已有近50年的歷史。它的發展還得益于對飛機機翼的顫動以及懸索橋與煙囪的流振研究后所建立的基礎。自二十世紀60年代到70年代,對單相流體沿橫向與軸向繞流管束時誘發的管道振動與聲振動的研究,已取得相當大的進展。1977年契諾韋士(Chenoweth)發表的技術報告對此有全面的介紹與總結。我國則是從二十世紀80年代中期開始進行流體振動方面的研究,在振動機理、振動特性、防振措施等方面都作了許多工作。

流體誘發管道振動的機理

管中單相或兩相流體無論是沿管道的軸向還是橫向流過管束時,由流體流動產生的動態力作用在管道上,都將導致管道振動。至于管道振動的機理,目前比較一致的觀點是以下四種:

1. 旋渦脫落激振(Vorticity Shedding Excitation)

這種振動起因于從管道表面上周期性脫落的旋渦所產生的周期性的流體力。如果旋渦脫落頻率與管道的固有頻率一致,管道便會發生共振。處于橫向流中的單根圓管,從管道表面上脫落的周期性的旋渦,即通常所稱的卡門旋渦。某種周期性脫落的旋渦使管道存在共振,特別是在液流或高密度的氣流中,周期性的作用力相當大,因而管道的振幅也比較大。兩相流體橫向流過管束,只有在體積含氣率小于15%時才會發生周期性的旋渦脫落激振。

2. 湍流抖振(Turbulent Buffeting)

有時也稱湍流激振(Tubulent Excitation)。湍流抖振是指在節徑比小于1.5 的密排管束中,由于沒有足夠的空間,故難以發生卡門漩渦的脫落。但流體的極度紊流也會誘發管道的振動。紊流漩渦使管道受到隨機的波動的作用力。而且紊流有一個相當寬的頻帶,當頻帶中的某一頻率與管道任一振型的自振頻率接近或相等時,便會導致大幅度的管道振動。由于其引起的振動很不規律而且帶有隨機性,故一般認為紊流不是引起管道振動的最主要原因,而是引起流體彈性激振的主要原因。

3. 流體彈性不穩定性(Fluidelastic Instability)

也稱流體彈性激振(Fluidelastic Excitation)。流體彈性不穩定性是動態的流體力與管道的運動相互作用的結果。當流體速度較高時,流體給予管道的能量大于管道的阻尼所消耗的能量。在流體力作用下,管道將產生大振幅的振動,很短時間內便遭到破壞。無論是氣體、液體、還是兩相流體當其流過管束時,最常見到的與最具有破壞性的就是流體彈性不穩定性。因此它也是最重要的激振機理。

4. 聲共振(Acoustic Resonance)

氣流橫向流過管束時,當周期性的旋渦脫落頻率與管程的聲駐波頻率一致時,流場與聲場耦聯且相互加強,便會出現聲共振的現象。在一般情況下,只產生強烈的噪聲,對管道不會造成多大損害。但若旋渦脫落頻率同時與聲頻以及管道的固有頻率合拍,則管道很快遭到破壞。

相應的研究方法

1. 旋渦脫落激振:旋渦型流體振動流量計

旋渦型流體振動流量計是利用流體在特定流道條件下流動時產生的旋渦振蕩,而且其振蕩頻率與流速成比例這種規律來測量流量的流量計。基于旋渦流體振蕩原理的流量計主要有兩種:渦街流量計和旋進旋渦流量計。這類的流量計兼有無運動部件,脈沖數字輸出,計量不受被測流體性質影響,測量準確度較高,量程比寬,無零點漂移,壓力損失小,便于安裝維護等優點,是測量氣體,液體,蒸汽,混合型和腐蝕性流體的理想的流量計。以流場仿真技術和實驗流體力學的相結合的方法,系統地研究旋渦型流體振動流量計的流體振動特性。

2. 湍流抖振:數值模擬

對某一高速泵系統的誘導輪葉片在實際運行時出現裂紋斷裂現象,利用三維Navier-Stokes方程和RNG湍流模型,并在轉動部件與靜止部件間采用滑移網格技術建立交互界面,對高速泵內多級動靜干擾引起的三維非定常湍流進行計算,得到誘導輪內部流體壓力脈動的主要特征。在各靜止與旋轉部件間利用滑移網格技術引入交互界面,將運動的網格與靜止的網格有機地聯系起來。滑動網格模型可使在交界面兩側的網格相互滑動,而不要求交界面兩側的網格結點相互重合。

3. 流體彈性不穩定性:實驗與模擬相結合

根據適宜有限元模型,采用流固耦合的計算方法模擬管束流體彈性不穩定性的發生過程,以及固有頻率對臨界流速的影響。根據國內外的研究現狀,設計并建立一套研究流體誘導管束振動的實驗裝置,實驗研究管束流體彈性不穩定性的產生過程和振動規律。并將有限元模擬計算結果與實驗結果進行對比研究。

4. 聲共振:試驗方法

聲共振的必要條件是聲駐波的頻率必須與激振頻率一致。但這并非是充分條件。因為即使滿足了這一條件,仍然有可能不發生聲共振。所以還要滿足第二個條件,即要求系統有足夠高的激振能量克服聲阻尼。

聲共振設計步驟:

第一步:收集數據,包括管道外徑d,節徑比T/d與L/d,管道排列形式,直徑D,通過管束的壓力降ΔP,管程氣體的聲速C與實際聲速Ce,管間隙處的流速V等。