王丹 白长青 毛义军
摘要:以输流管道、电液球阀等附件组成的自流注水复杂管路系统为研究对象,基于流固耦合理论,利用有限元软件ANSYS建立系统仿真计算模型并研究其动力学特性。由于管路不同位置的动力学特性不同,本文根据所建立的有限元模型计算球阀不同开度对管路同一位置流体的压力和速度的影响,并比较不同位置在球阀固定开度时的流体特性。结果表明:阀前弯头的流体压力随阀门开度的增加而减小,阀后弯头随阀门开度的增加而增大;当阀门开度固定时,管路不同位置的流体压力分别以球阀(固定开度≤50%)、大小头(固定开度为>50%)为分界点呈现不同的趋势。根据流固耦合理论计算球阀不同开度下自流注水管路结构的振动情况,结果发现阀门开度为50%时在0.5s比其他开度多出现一次激振,且加速度幅值较其它开度明显增大。
关键词:球阀不同开度;流固耦合;动力学特性;自流注水管路;不同位置
1 引言
阀门是管路输送系统中重要的控制元件,主要作用是执行流体介质通路的启闭、换向、调节流量和压力、保护系统安全等。球阀具有结构紧凑、流体阻力小、流通能力大、易操作和维修、适用条件广等优点,因此广泛应用于管路系统中。自流注水过程是潜艇调整姿态和水深的一种方式,此过程为动态瞬时过程。目前国内外学者在研究自流注水管路系统的动力学特性时,主要研究阀门处于某一固定开度时的稳态工况,此时流经阀门介质的各个参数几乎不随时间变化。但当阀门启闭较为频繁时,阀门内部流场的变化极易造成阀内部件的损坏和管路的破坏,严重影响阀门的使用寿命和可靠性。因此,研究瞬态过程中阀门不同开度对管内流体以及管路结构的影响十分重要。
基于此,本文以输流管道、电液球阀等附件组成的自流注水复杂管路系统为研究对象,基于流固耦合理论,利用有限元软件ANSYS建立系统仿真计算模型,研究自流注水瞬态过程中,球阀不同开度对管路系统不同位置的流体和结构动力学特性的影响。
2 流固耦合理论
自流注水过程为动态瞬时过程,需要考虑流体介质和固体结构这两个物理场之间的相互作用,即需要进行流固耦合分析。由于要考虑湍流引起的振动及噪声,所以流固耦合分析中流体动力学方程不能简化为声学方程,结构动力学方程必须随同流体动量方程和连续性方程的Navier-Stokes方程一起考虑。
有限元方法是一种求解数学物理问题的近似数值解法,也是进行模态分析和动力响应计算的一种常用方法。用有限元方法分析管路系统的结构振动,实质是用有限个自由度的离散系统代替无限个自由度的连续系统,即将连续的求解区域离散成一组有限个且按一定方式互联的单元组合。通过对管道结构划分单元,计算单元的质量矩阵和刚度矩阵,建立单元的动力平衡方程,根据单元节点位移的一致性,可以集成得到结构动力学离散方程为
式中:Ms、Cs、Ks分别是管道结构的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵;u为节点位移矢量;F为结构所受的载荷矢量,包括管道结构承受的载荷矢量和流固界面上流体压力载荷矢量。
根据质量守恒定律,可以得到流体运动的连续性方程为
其中:V是流体速度矢量;ρ是密度;t是时间。
在牛顿流体中,粘性流体的动量方程(运动方程)可以表示为
式中:D / Dt表示随体导数;ƒ为体积力矢量;p为流体压力;μ为流体动力粘度。
利用Galerkin方法可以把流体动力学方程离散化得到离散化的流体动力学方程为
式中:Ma、Ca、Ka分别是管道内流体的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵;P为流体自由度矢量,包括压力和速度;F为流体所受的载荷矢量。
式(1)和式(4)分别对应管道结构和流体两个物理场,通过两个物理场之间的载荷相互传递来完成耦合场分析。
3 自流注水管路有限元建模
根据第2章的流固耦合理论建立系统动态有限元计算模型,如图1所示。选用壳单元和实体单元,且考虑阀门质量及测试阀的具体流道形状,并根据现场管卡及钢支架建立管系约束条件。其中壳单元有4个节点,每个节点有6个自由度。其解不随厚度变化,遵循基尔霍夫假定,可以同时考虑弯曲和中面的膜力,忽略横向剪切变形。实体单元用于构造阀门三维实体结构,单元通过8个节点来定义,每个节点有沿x、y和z方向的平移自由度。流场用三维流体单元剖分,并考虑湍流影响。流体单元通过8个节点来定义,每个节点有沿x、y和z方向的速度和压力自由度。