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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:3090
  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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