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利用Mult-ifieldSolver进行管道流固耦合动力研究

文章来源：本网收集上传时间：2013-11-6 浏览量：3541

　　有限元计算模型本文所采用的主要是ANSYS和CFX两个软件，其中ANSYS对结构进行分析，CFX对流体进行分析，然后通过Mult-ifieldSolver将其结合起来对结构和流体进行耦合分析。Mult-ifieldSolver是ANSYS10.0中专门用于计算多物理场耦合问题的计算模块，它可以同时运行ANSYS结构计算程序和CFX流体计算程序。通过流体与结构交界面上力的传递，实现流体与结构间的单向耦合或双向耦合。在ANSYS中，流固交界面用数字表示，在CFX中则用名字表示。Mult-ifieldSolver在计算过程中不考虑结构和流体重力对管道动力响应的影响，其求解思想为有限元理论方法。
　　
　　在WORKBENCH中分别建立结构和流体的物理模型。将结构模型导入ANSYS中进行网格划分和前处理；将流体模型导入到ICEM中划分网格，然后将网格导入CFX中进行前处理。建模尺寸为：管道关于y，z平面对称，其入口端轴线平行于z轴，出口端轴线平行于y轴；弯管两端长度均为L=0.5m，弯曲半径R=0.1m，角度90b，管道内径d=0.098m，壁厚t=0.002m；管道材料为普通钢材，密度Qp=7800kg/m3，弹性模量E=210GPa，泊松比v=0.3，忽略管道阻尼，其所用单元为solid186；流体为水，密度Qw=997kg/m3，温度25e，动力粘性系数T=8.899e-4kg/ms，流体采用六面体网格。视管道壁为光滑壁面，计算时弯管两端采用简支约束的边界条件。
　　
　　不考虑阀门开启时管道的动力响应情况，仅对冲击流速达到峰值以后的结果进行分析。分别取入口侧、出口侧和弯曲部分的中间截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，以y，z平面为对称面，分析3个截面在不同时刻下沿x，y，z轴的位移，可得管道的运动形式和变形，如所示。从中可以看出，管道结构的位移、变形基本于y，z平面对称。在题设中所给的约束条件下，管道主要运动表现为y，z平面内弯曲运动及管道的扩张和收缩。同时，由于流体激励是随机的，各时刻下作用于管壁上各点的压力值不同，管道在沿x轴方向略有摆动。
　　
　　分别在截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上取节点1、2、3进行分析，可得到各点在x，y，z方向的位移时间历程曲线。采用傅立叶变换，编制MATLAB程序对其进行频谱分析，得到各点沿x，y，z轴的频响曲线，类似于阀门作用，在开始一段时间内结构产生强迫振动，之后结构响应达到稳定。结构上各点沿x，y，z方向的振动幅值不同，y，z方向明显大于x方向，振动频率也略有差别。
　　
　　在节点1处fx=435Hz，fy=454Hz，fz=452Hz；节点2处fx=437Hz，fy=454Hz，fz=452Hz；节点3处fx=437Hz，fy=454Hz，fz=454Hz.结构的响应图中出现了拍频现象，是由两相近频率叠加所产生的。另外，频率图中接近0点位置处出现的峰值频率，是由结构振动过程中偏离初始位置所引起，并非结构响应频率。
　　
　　在CFX中查看流体的计算结果，可得流体表面即流固交界面上压力值。取流体表面与结构上节点1、2、3对应的点作分析，得到各点压力值的时间历程曲线。同理，采用傅立叶变换，编制MATLAB程序对其进行频谱分析，得到流体各点的频响曲线，如所示。
　　
　　由于结构和流体间的相互作用，流体在开始一段时间内也产生强迫振动，之后响应达到稳定。流体表面各点压力值均不同，但响应频率基本一致，在节点1处有f=498Hz，节点2处f=498Hz，节点3处f=498Hz.同理，由两相近的频率叠加产生了拍频现象；压力值偏离初始值引起了零点位置附近的峰值频率，亦并非流体响应频率。
　　
　　由本文的计算分析可看出，利用Mult-ifieldSolver进行管道流固耦合动力分析，可以模拟阀门作用下结构的动力响应和变形，得到结构和流体的响应频率，可为振动噪声研究提供参考。从结果数据上也可以得出，流体作为主要激励源，其响应频率略大于结构的响应频率，符合理论分析。

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