基于Workbench的流固耦合作用下三通管振動特性分析

韓天宇,郭長青*,諶冉曦

(南華大學 土木工程學院,湖南 衡陽 421001)

摘 要：使用ANSYS Workbench軟件，對流固耦合作用下的三通管振動特性進行分析。首先應用Solidworks和ANSYS Workbench對結構進行幾何建模，再利用CFX模塊對流場進行計算，將得出的結果以荷載的形式導入Workbench進行流固耦合狀態下的模態分析。計算研究三通管在雙進單出和單進雙出情況下的入水口流速、入水口壓強和管壁厚度對固有頻率的影響。結果表明，雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大，兩種不同流體流動方式三通管的前六階振型都主要是整體梁變形;管道的固有頻率會隨著入水口壓強和流速的增加而增加;隨著壁厚的增加，前三階固有頻率有所降低，第4～6階固有頻率則先升后降;在入水口壓強、入水口流速和壁厚等條件相同的情況下，雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大。

關鍵詞：流固耦合;三通管;振動;固有頻率;workbench

0 引 言

在輸流管道中，由于流體的不連續加壓和流體的無規則流動，產生強烈的壓力波動，管道則會產生很大的振動，甚至發生破壞。因此有必要研究輸液管道系統的流固耦合振動的振動特性及其影響因素。桑永等[1]使用ANSYS軟件分析了大流量管路流固耦合振動；齊歡歡等[2]使用ANSYS和CFX軟件對輸液管道進行了有限元分析；熊雄等[3]針對液壓輸流管內的壓力脈動進行研究，對壓力脈動進行編程，得到了壓力脈動作用產生的激振力的變化；姬賀炯等[4]進行了輸流管道的動力有限元建模并進行了實驗；趙寧[5]應用Workbench軟件分析了流固耦合作用下的彎管的振動特性；張曉明[6]應用Workbench軟件對室內供水管道進行有限元分析，并用實驗進行了輔助驗證；王濤[7]應用Workbench軟件探究了孔板對于管道振動的穩定和抑制作用；盧嘉偉等[8]研究了豎直彎管在不同彎轉角度條件下的振動特性；俞樹榮等[9]分析了彎管的流固耦合動力特性，考慮了脈動壓力、壁厚和管徑對固有頻率的影響；朱炎等[10]對氣液兩相流情況下的輸水管道進行了實驗，實驗表明輸水管道含氣率越大，管道不同位置的振動強度差別越大；梁建術等[11]應用ANSYS Workbench軟件對流固耦合輸液波紋管進行了模態分析；D.C.Wiggert等[12]把管道的的結構部分以直管的低階模態的方式代替，流體部分則利用經典水錘理論對流體域進行響應計算；D.C.Wiggert等[13]以四方程模型為基礎，將四方程模型拓展為十四方程模型，通過實驗進行了驗證，與計算結果能夠良好吻合Y.Z.Xu等[14]提出了一種多分支管道的通用解決方案，為預測復雜管道系統的頻率響應提供了一種方法；W.Wang等[15]利用ANSYS軟件對系統在固定開度與變開度情況和流開型與流閉型情況下振動響應進行了定性分析。

本文以三通管為研究對象，應用ANSYS Workbench軟件對其進行單向流固耦合的振動分析，以三通管的雙進單出和單進雙出兩種流體流動方式分別分析了入水口壓強、入水口流速和管壁厚度對管道振動特性的影響。經計算分析得出雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大，兩種不同流體流動方式三通管的前六階振型都主要是整體梁變形。隨著入水口壓強和入水口流速的增加，三通管的固有頻率逐漸增加；在三通管外徑不變的情況下，隨著壁厚的增加，前三階固有頻率明顯降低，第4～6階固有頻率先升后降。在入水口壓強、入水口流速和壁厚等條件相同的情況下，雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大。

1 數值模擬

1.1 模擬方法

流固耦合的仿真分析一般情況下有單向耦合法和雙向耦合法兩種方法。流場在管道中運動而產生的管道結構變形較小，對流場產生的影響很小，故采用單向耦合法對結構進行計算。此方法通過ANSYS-CFX對流場進行分析，再將得出的結果以荷載的形式作用于結構表面上，之后在Workbench中對結構進行模態分析。

1.2 幾何參數

三通管模型如圖1所示，外徑100 mm，壁厚6.9 mm，左管長500 mm，右管長500 mm，上管長800 mm。先采用Solidworks建立三通管的3D模型，然后導入Workbench中，生成對應模型，再用DesignModeler軟件中的填充功能建立流體模型。本文設計三通管內流體共有兩種流動方式，第一種左管端口和上管端口為流體入口，右管端口為流體出口，即為雙進單出三通管；第二種上管端口為流體入口，左管端口和右管端口為流體出口，即為單進雙出三通管。

圖1 三通管模型圖

Fig.1 Tee model diagram

1.3 材料參數

管道采用普通鋼材，密度7 850 kg/m3，彈性模量200 GPa，泊松比0.3。流體密度998.2 kg/m3，介質聲速1 450 m/s，動力粘度0.001 01 Pa·s。

1.4 網格劃分

利用ANSYS ICEM網格劃分技術對流體和管道進行六面體網格劃分，并在流體的流固交界面處添加5層4 mm(共20 mm)的膨脹層以減小網格畸變率，提高網格的精度。

1.5 CFX設置

在CFX中將管道設置為固體域，將流體設置為流體域。再將流體的入口與出口設置為流體的入口邊界與出口邊界。

1.6 原始條件

因為管道中出口與入口的原始條件不能同時設置為速度和壓強，所以在CFX中設置雙進單出三通管的左管端口及上管端口為入口，入水口流速為10 m/s，兩入水口流速、壓強相同；將三通管的右管端口設置為出口，壓強為0；在CFX中將單進雙出三通管的上管端口為入口，入水口流速為10 m/s；將三通管的左管端口和右管端口設置為出口，壓強為0。在Workbench中設置結構體帶有9.8 m/s2的重力加速度，且在三個管口的環面處帶有固定約束。

2 結果分析

2.1 原始條件下的固有頻率

根據原始條件，在Workbench中的modal模塊中得出前六階固有頻率，見表1。原始條件下雙進單出三通管的前六階振型圖，見圖2；原始條件下單進雙出三通管的前六階振型圖，見圖3。

表1 原始條件情況下的三通管的前六階固有頻率

Table 1 First six natural frequencies of tee under original conditions Hz

從表1中可以看出雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大。

從振型三維圖的不同角度看到，對兩種不同的流體流動方式的三通管，第一、三、五階振型圖在z軸方向上有位移，在x，y軸方向上無位移；第二、四、六階振型圖在x，y軸方向上有位移，在z軸方向上無位移。

從圖2和圖3中可以看出兩種不同的流體流動方式的三通管的前六階振型主要是整體梁變形。

2.2 原始條件下的流速、壓強圖

通過CFX-Post得出雙進單出三通管流體流速流線圖、壓強云圖，見圖4。單進雙出三通管流體流速流線圖、壓強云圖，見圖5。

從圖4～圖5中可以看出，在雙進單出三通管中，當流體剛流入管內時，流速較低、壓強較高；當兩股流體在三管交界處交匯時，流速增加，壓強降低；在單進雙出三通管中，當流體流入管內時，流速較高，壓強較低，當流體流入三管交界處交匯時，流速降低，壓強先變小后逐漸增加，隨后在流體分流至左右管時壓強逐漸降低。

2.3 不同入水口壓強對三通管固有頻率的影響

在原始條件除入水口壓強外其它參數不變的基礎上，調整了入水口壓強的大小，分別為0、5、10、20、50 MPa，將出水口的流速調整為10 m/s，計算結果見表2和表3。

圖2 雙進單出三通管前六階振型圖

Fig.2 First six modes of vibration of double-inlet and single-outlet tee

圖3 單進雙出三通管前六階振型圖

Fig.3 First six modes of vibration of single-inlet and double-outlet tee

圖4 雙進單出三通管流體流速流線圖、壓強云圖

Fig.4 Velocity and pressure cloud maps of fluid in double-inlet and single-outlet tee

圖5 單進雙出三通管流體流速流線圖、壓強云圖

Fig.5 Velocity and pressure cloud maps of fluid in single-inlet and double-outlet tee

表2 不同入水口壓強條件下雙進單出三通管的前六階固有頻率

Table 2 First six natural frequencies of double-inlet and single-outlet tee under different water pressures Hz

表3 不同入水口壓強條件下單進雙出三通管的前六階固有頻率

Table 3 First six natural frequencies of single-inlet and double-outlet tee under different water pressures Hz

從表2和表3中可以看出，在所研究的壓強范圍內，隨著入水口壓強的增加，雙進單出三通管的固有頻率有明顯的增加，單進雙出三通管的固有頻率增加的不明顯。主要是因為入水口壓強越大，管道壁內的拉應力越大，使得管道的彎曲剛度越大，管道的固有頻率越大。在入水口壓強條件相同的情況下，雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大。

2.4 不同入水口流速對三通管固有頻率的影響

在原始條件除入水口流速外其它參數不變的基礎上，調整了兩入水口流速的大小，分別為0、5、10、20、50 m/s，計算結果見表4和表5。

表4 不同入水口流速條件下雙進單出三通管的前六階固有頻率

Table 4 First six natural frequencies of double-inlet and single-outlet tee under different water flow rates Hz

從表4和表5中可以看出，在所研究的入水口流速范圍內，是隨著入水口流速的增加，三通管的固有頻率也有所增加，但是變化幅度不是很大。在入水口流速條件相同的情況下，雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大。

2.5 三通管外徑不變的條件下壁厚對三通管固有頻率的影響

在原始條件的基礎上，外徑不變的條件下，調整了管道壁厚的大小，分別為2、4、6、8、10 mm，計算結果見表6和表7。

表5 不同入水口流速條件下單進雙出三通管的前六階固有頻率

Table 5 First six natural frequencies of single-inlet and double-outlet tee under different water flow rates Hz

表6 不同壁厚條件下雙進單出三通管的前六階固有頻率

Table 6 First six natural frequencies of double-inlet and single-outlet tee under different wall thicknesses Hz

表7 不同壁厚條件下單進雙出三通管的前六階固有頻率

Table 7 First six natural frequencies of single-inlet and double-outlet tee under different wall thicknesses Hz

在外徑相同的情況下，不同壁厚可導致管道的剛度和質量不同。壁厚的增加會使得管道剛度的增加，剛度的增加則會致使管道固有頻率的增加；而管道質量的增加則會致使管道固有頻率的降低。在二者的共同作用下，固有頻率的變化可能呈現不同的規律，從表6和表7可以看出隨著壁厚的增加，前三階固有頻率明顯降低，是由于質量的影響占優；第4～6階固有頻率先升后降，先是剛度的影響占優，后是質量的影響占優。在壁厚條件相同的情況下，雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大。

3 結 論

1)雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大。兩種不同流體流動方式的三通管的前六階振型主要是整體梁變形。

2)在雙進單出三通管中，當流體剛流入管內時，流速較低、壓強較高；當兩股流體在三管交界處交匯時，流速增加，壓強降低；在單進雙出三通管中，當流體流入管內時，流速較高，壓強較低，當流體流入三管交界處交匯時，流速降低，壓強先變小后逐漸增加，隨后在流體分流至左右管時壓強逐漸降低。

3)隨著入水口壓強的增加，雙進單出三通管的固有頻率有明顯的增加，單進雙出三通管的固有頻率增加的不明顯；入水口速度大小的改變對于結構固有頻率的影響很小，但是隨著入水口速度的增加，三通管的固有頻率也有所增加；在三通管外徑不變的情況下，隨著壁厚的增加，前三階固有頻率明顯降低，是由于質量的影響占優；第4～6階固有頻率先升后降，先是剛度的影響占優，后是質量的影響占優。在入水口壓強、入水口流速和壁厚等條件相同的情況下，雙進單出三通管的固有頻率比單進雙出三通管的固有頻率略大。

參考文獻：

[1]桑永,邵利來,王旭東.基于ANSYS大流量管路流固耦合振動分析[J].液壓氣動與密封,2018,38(7):1-5.

[2]齊歡歡,姜乃斌,黃旋.輸液管道流固耦合有限元分析[J].機械工程師,2016(1):205-207.

[3]熊雄,周知進.壓力脈動作用下管道的流固耦合瞬態分析[J].機床與液壓,2019,47(16):118-122.

[4]姬賀炯,白長青,韓省亮.輸流管道動力有限元建模及實驗研究[J].應用力學學報,2013,30(3):422-427.

[5]趙寧.基于Workbench的流固耦合作用下彎管的振東分析[J].遼寧化工,2017,46(8):795-799.

[6]張曉明.基于ANSYS Workbench的流固耦合室內供水管道振動特性研究[D].重慶:西南大學,2018:1-67.

[7]王濤.基于ANSYS Workbench的輸液管道振動特性分析和振動控制的研究[D].石家莊:河北科技大學,2010:1-92.

[8]盧嘉偉,朱漢華,焦文健,等.豎直輸液彎管流固耦合作用振動分析[J].中國修船,2018,31(1):6-9.

[9]俞樹榮,馬璐,余龍.彎曲輸流管道流固耦合動力特性分析[J].噪聲與振動控制,2015,35(4):43-47.

[10]朱炎,吳晨光,袁一星,等.氣液兩相流作用下輸水管道的振動特性[J].揚州大學學報,2015,18(4):73-78.

[11]梁建術,蘇強,李欣業.基于ANSYS/Workbench流固耦合輸液波紋管的模態分析[J].機械設計與制造,2013(2):91-93.

[12]WIGGERT D C,OTWELL R S,HATFIELD F J.The effect of elbow restraint on pressure transients[J].Journal of fluids engineering,1995,107(3):382-393.

[13]WIGGERT D C,HATFIELD F J,STUCKENBRUCK S.Analysis of liquid and structural transients in piping by the method of characteristics[J].Journal of fluids engineering,1997,109(2):161-165.

[14]XU Y Z,JOHNSTON D N,JIAO Z X,et al.Frequency modelling and solution of fluid-structure interaction in complex pipelines[J].Journal of sound & vibration,2014,333(10):97-105.

[15]WANG W,XU L,FU W P,et al.Dynamic characteristics of a control valve-pipeline-fluid system considering fluid-structure interaction[J].Journal of vibration & shock,2014,33(21):161-165.

Analysis of Vibration Characteristics of Tee under Fluid-Solid Coupling Based on Workbench

HAN?Tianyu,GUO?Changqing*,CHEN?Ranxi

(School of Civil Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China)

Abstract：The vibration characteristics of a tee under fluid-solid coupling are analyzed using ANSYS Workbench software.Firstly,Solidworks and ANSYS Workbench are used to geometrically model the structure.Then the flow field is calculated by CFX module.The results are imported into Workbench in the form of loads for modal analysis under fluid-solid coupling state.The effects of the inlet velocity,inlet pressure and wall thickness of the tee on the natural frequencies are studied.The results show that the natural frequencies of the double-inlet and single-outlet tee are slightly higher than the natural frequencies of the single-inlet and double-outlet tee.The first six order vibration shapes of the tee in two different fluid flow modes are mainly deformation of the overall beam.The natural frequencies of the pipeline increase as the inlet pressure and flow rate increases.As the wall thickness increases,the first three natural frequencies decrease,and the forth to sixth natural frequencies increase first and then decrease.Under the same conditions of inlet pressure,inlet velocity and wall thickness,the natural frequencies of the double-inlet and single-outlet tee is slightly larger than the natural frequency of the single-inlet and double-outlet tee.

key?words：fluid-solid coupling;tee;vibration;natural frequency;workbench

總結

以上是生活随笔為你收集整理的workbench 流固耦合_基于Workbench的流固耦合作用下三通管振动特性分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。