充液管道動(dòng)力學(xué)建模與振動(dòng)特性分析.pdf

1、充液管道廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)工程和居民日常生活中，對國民經(jīng)濟(jì)、人民生活都起著十分重要的作用。但是，管道系統(tǒng)振動(dòng)所造成的噪聲環(huán)境污染，嚴(yán)重時(shí)甚至可導(dǎo)致管系或機(jī)器損壞。所以，降低管道振動(dòng)、保證管道輸送安全，具有很高的理論研究價(jià)值和重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文在考慮流體和管道耦合作用基礎(chǔ)上，對充液管道振動(dòng)特性進(jìn)行了深入研究，同時(shí)在此基礎(chǔ)上對管道能量流計(jì)算。具體說來，本文的主要研究成果和結(jié)論如下：
　　1、針對在工程中常見的液體輸送管道，根據(jù)Ham

2、ilton原理，使用有限元法推導(dǎo)了同時(shí)考慮軸向、橫向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的直管的流固耦合三維振動(dòng)方程。在此基礎(chǔ)上，對彎管進(jìn)行離散化建模，把彎管離散成多個(gè)直管段首尾斜接。根據(jù)連續(xù)性方程及動(dòng)力方程確定節(jié)點(diǎn)邊界條件，推導(dǎo)出彎管的流固耦合三維振動(dòng)方程。通過以上推導(dǎo)，得到可用于計(jì)算充液管道模態(tài)、諧響應(yīng)的有限元計(jì)算模型。通過推導(dǎo)的考慮流固耦合有限元計(jì)算模型，計(jì)算了在有流速和壓力情況下，單彎管的模態(tài)，并且討論了單彎管固有頻率隨流速和壓力的變化規(guī)律。
　　

3、2、進(jìn)行了流體傳輸動(dòng)力學(xué)的研究，從激勵(lì)管道振動(dòng)的流體入手，推導(dǎo)了管道內(nèi)流體壓力波傳遞速度。類比電路元件，推導(dǎo)了流體壓力脈動(dòng)傳遞的基本方程，得出壓力與流量的關(guān)系。在壓力脈動(dòng)傳遞的基本方程基礎(chǔ)上，研究了管道流體動(dòng)態(tài)參數(shù)，得出流體壓力脈動(dòng)的特性，為削減流體壓力脈動(dòng)提供理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算，研究了壓力脈動(dòng)相位對管道振動(dòng)的影響，得出結(jié)論：應(yīng)盡量使同一直管兩端的作用力方向相反。具體的措施有：使相鄰兩個(gè)直角彎頭間的直管長度盡量接近主要脈

4、動(dòng)壓力波半波長的偶數(shù)倍；在管道中安裝容腔等。
　　3、基于考慮流固耦合的管道梁模型，通過有限元方程求出充液管道的動(dòng)力響應(yīng)，由力和位移響應(yīng)求出管道系統(tǒng)的功率流，以管道平均長度的能量為評估值，定量地評估在采用不同的管道支承時(shí)管道的振動(dòng)程度，并與傳統(tǒng)的以管道振動(dòng)位移為評估值的振動(dòng)評估方法進(jìn)行對比。結(jié)果表明，以能量作為評估值的方法，同時(shí)考慮到了傳到結(jié)構(gòu)上的力、彎矩、位移和轉(zhuǎn)角多個(gè)量值，比以位移作為評估值的方法更準(zhǔn)確，可為管道系統(tǒng)的振動(dòng)控制

5、提供更為有效的理論依據(jù)。此外，還推導(dǎo)了梁模型管道功率流測量的互功率譜法。
　　4、分別使用了梁模型和殼模型計(jì)算了空管和充液直管自由狀態(tài)和簡支狀態(tài)下的模態(tài)頻率和振型，并與實(shí)驗(yàn)所測得結(jié)果進(jìn)行對比。發(fā)現(xiàn)三者所得各階固有頻率及對應(yīng)振型基本一致，說明梁模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，流固耦合作用明顯降低了管系的固有頻率，但對于模態(tài)振型的影響很小。對自由狀態(tài)下的空管和充液管進(jìn)行了白噪聲能量流實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低頻激勵(lì)更能激發(fā)管道的振動(dòng)，管道的主要振動(dòng)都來自低

6、頻，證明了梁單元的適用性。并對支承位置對管道振動(dòng)的影響作了研究，在非固支情況下，支承間距對梁單元的結(jié)果的準(zhǔn)確性沒有影響。此外，還得出以下三點(diǎn)優(yōu)化規(guī)則：1、相對高頻振動(dòng)，低頻振動(dòng)能傳遞更多的能量，因此管道應(yīng)盡量避免低頻振動(dòng)。2、管道采用非固支時(shí)，離振源最近的支承應(yīng)盡量接近振源，越近越好；在同側(cè)，離振源第二近的支承不要靠近離振源最近的支承以免局部振動(dòng)過大。3、兩個(gè)相鄰彎管之間直管的長度應(yīng)盡量接近壓力脈動(dòng)波長的整數(shù)倍，或者在管道中安裝容腔，改