基于Workbench的流固耦合作用下三通管振动特性分析

韩天宇,郭长青*,谌冉曦

(南华大学 土木工程学院,湖南 衡阳 421001)

摘 要：使用ANSYS Workbench软件，对流固耦合作用下的三通管振动特性进行分析。首先应用Solidworks和ANSYS Workbench对结构进行几何建模，再利用CFX模块对流场进行计算，将得出的结果以荷载的形式导入Workbench进行流固耦合状态下的模态分析。计算研究三通管在双进单出和单进双出情况下的入水口流速、入水口压强和管壁厚度对固有频率的影响。结果表明，双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大，两种不同流体流动方式三通管的前六阶振型都主要是整体梁变形;管道的固有频率会随着入水口压强和流速的增加而增加;随着壁厚的增加，前三阶固有频率有所降低，第4～6阶固有频率则先升后降;在入水口压强、入水口流速和壁厚等条件相同的情况下，双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大。

关键词：流固耦合;三通管;振动;固有频率;workbench

0 引 言

在输流管道中，由于流体的不连续加压和流体的无规则流动，产生强烈的压力波动，管道则会产生很大的振动，甚至发生破坏。因此有必要研究输液管道系统的流固耦合振动的振动特性及其影响因素。桑永等[1]使用ANSYS软件分析了大流量管路流固耦合振动；齐欢欢等[2]使用ANSYS和CFX软件对输液管道进行了有限元分析；熊雄等[3]针对液压输流管内的压力脉动进行研究，对压力脉动进行编程，得到了压力脉动作用产生的激振力的变化；姬贺炯等[4]进行了输流管道的动力有限元建模并进行了实验；赵宁[5]应用Workbench软件分析了流固耦合作用下的弯管的振动特性；张晓明[6]应用Workbench软件对室内供水管道进行有限元分析，并用实验进行了辅助验证；王涛[7]应用Workbench软件探究了孔板对于管道振动的稳定和抑制作用；卢嘉伟等[8]研究了竖直弯管在不同弯转角度条件下的振动特性；俞树荣等[9]分析了弯管的流固耦合动力特性，考虑了脉动压力、壁厚和管径对固有频率的影响；朱炎等[10]对气液两相流情况下的输水管道进行了实验，实验表明输水管道含气率越大，管道不同位置的振动强度差别越大；梁建术等[11]应用ANSYS Workbench软件对流固耦合输液波纹管进行了模态分析；D.C.Wiggert等[12]把管道的的结构部分以直管的低阶模态的方式代替，流体部分则利用经典水锤理论对流体域进行响应计算；D.C.Wiggert等[13]以四方程模型为基础，将四方程模型拓展为十四方程模型，通过实验进行了验证，与计算结果能够良好吻合Y.Z.Xu等[14]提出了一种多分支管道的通用解决方案，为预测复杂管道系统的频率响应提供了一种方法；W.Wang等[15]利用ANSYS软件对系统在固定开度与变开度情况和流开型与流闭型情况下振动响应进行了定性分析。

本文以三通管为研究对象，应用ANSYS Workbench软件对其进行单向流固耦合的振动分析，以三通管的双进单出和单进双出两种流体流动方式分别分析了入水口压强、入水口流速和管壁厚度对管道振动特性的影响。经计算分析得出双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大，两种不同流体流动方式三通管的前六阶振型都主要是整体梁变形。随着入水口压强和入水口流速的增加，三通管的固有频率逐渐增加；在三通管外径不变的情况下，随着壁厚的增加，前三阶固有频率明显降低，第4～6阶固有频率先升后降。在入水口压强、入水口流速和壁厚等条件相同的情况下，双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大。

1 数值模拟

1.1 模拟方法

流固耦合的仿真分析一般情况下有单向耦合法和双向耦合法两种方法。流场在管道中运动而产生的管道结构变形较小，对流场产生的影响很小，故采用单向耦合法对结构进行计算。此方法通过ANSYS-CFX对流场进行分析，再将得出的结果以荷载的形式作用于结构表面上，之后在Workbench中对结构进行模态分析。

1.2 几何参数

三通管模型如图1所示，外径100 mm，壁厚6.9 mm，左管长500 mm，右管长500 mm，上管长800 mm。先采用Solidworks建立三通管的3D模型，然后导入Workbench中，生成对应模型，再用DesignModeler软件中的填充功能建立流体模型。本文设计三通管内流体共有两种流动方式，第一种左管端口和上管端口为流体入口，右管端口为流体出口，即为双进单出三通管；第二种上管端口为流体入口，左管端口和右管端口为流体出口，即为单进双出三通管。

图1 三通管模型图

Fig.1 Tee model diagram

1.3 材料参数

管道采用普通钢材，密度7 850 kg/m3，弹性模量200 GPa，泊松比0.3。流体密度998.2 kg/m3，介质声速1 450 m/s，动力粘度0.001 01 Pa·s。

1.4 网格划分

利用ANSYS ICEM网格划分技术对流体和管道进行六面体网格划分，并在流体的流固交界面处添加5层4 mm(共20 mm)的膨胀层以减小网格畸变率，提高网格的精度。

1.5 CFX设置

在CFX中将管道设置为固体域，将流体设置为流体域。再将流体的入口与出口设置为流体的入口边界与出口边界。

1.6 原始条件

因为管道中出口与入口的原始条件不能同时设置为速度和压强，所以在CFX中设置双进单出三通管的左管端口及上管端口为入口，入水口流速为10 m/s，两入水口流速、压强相同；将三通管的右管端口设置为出口，压强为0；在CFX中将单进双出三通管的上管端口为入口，入水口流速为10 m/s；将三通管的左管端口和右管端口设置为出口，压强为0。在Workbench中设置结构体带有9.8 m/s2的重力加速度，且在三个管口的环面处带有固定约束。

2 结果分析

2.1 原始条件下的固有频率

根据原始条件，在Workbench中的modal模块中得出前六阶固有频率，见表1。原始条件下双进单出三通管的前六阶振型图，见图2；原始条件下单进双出三通管的前六阶振型图，见图3。

表1 原始条件情况下的三通管的前六阶固有频率

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

从表1中可以看出双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大。

从振型三维图的不同角度看到，对两种不同的流体流动方式的三通管，第一、三、五阶振型图在z轴方向上有位移，在x，y轴方向上无位移；第二、四、六阶振型图在x，y轴方向上有位移，在z轴方向上无位移。

从图2和图3中可以看出两种不同的流体流动方式的三通管的前六阶振型主要是整体梁变形。

2.2 原始条件下的流速、压强图

通过CFX-Post得出双进单出三通管流体流速流线图、压强云图，见图4。单进双出三通管流体流速流线图、压强云图，见图5。

从图4～图5中可以看出，在双进单出三通管中，当流体刚流入管内时，流速较低、压强较高；当两股流体在三管交界处交汇时，流速增加，压强降低；在单进双出三通管中，当流体流入管内时，流速较高，压强较低，当流体流入三管交界处交汇时，流速降低，压强先变小后逐渐增加，随后在流体分流至左右管时压强逐渐降低。

2.3 不同入水口压强对三通管固有频率的影响

在原始条件除入水口压强外其它参数不变的基础上，调整了入水口压强的大小，分别为0、5、10、20、50 MPa，将出水口的流速调整为10 m/s，计算结果见表2和表3。

图2 双进单出三通管前六阶振型图

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

图3 单进双出三通管前六阶振型图

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

图4 双进单出三通管流体流速流线图、压强云图

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

图5 单进双出三通管流体流速流线图、压强云图

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

表2 不同入水口压强条件下双进单出三通管的前六阶固有频率

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

表3 不同入水口压强条件下单进双出三通管的前六阶固有频率

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

从表2和表3中可以看出，在所研究的压强范围内，随着入水口压强的增加，双进单出三通管的固有频率有明显的增加，单进双出三通管的固有频率增加的不明显。主要是因为入水口压强越大，管道壁内的拉应力越大，使得管道的弯曲刚度越大，管道的固有频率越大。在入水口压强条件相同的情况下，双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大。

2.4 不同入水口流速对三通管固有频率的影响

在原始条件除入水口流速外其它参数不变的基础上，调整了两入水口流速的大小，分别为0、5、10、20、50 m/s，计算结果见表4和表5。

表4 不同入水口流速条件下双进单出三通管的前六阶固有频率

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

从表4和表5中可以看出，在所研究的入水口流速范围内，是随着入水口流速的增加，三通管的固有频率也有所增加，但是变化幅度不是很大。在入水口流速条件相同的情况下，双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大。

2.5 三通管外径不变的条件下壁厚对三通管固有频率的影响

在原始条件的基础上，外径不变的条件下，调整了管道壁厚的大小，分别为2、4、6、8、10 mm，计算结果见表6和表7。

表5 不同入水口流速条件下单进双出三通管的前六阶固有频率

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

表6 不同壁厚条件下双进单出三通管的前六阶固有频率

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

表7 不同壁厚条件下单进双出三通管的前六阶固有频率

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

在外径相同的情况下，不同壁厚可导致管道的刚度和质量不同。壁厚的增加会使得管道刚度的增加，刚度的增加则会致使管道固有频率的增加；而管道质量的增加则会致使管道固有频率的降低。在二者的共同作用下，固有频率的变化可能呈现不同的规律，从表6和表7可以看出随着壁厚的增加，前三阶固有频率明显降低，是由于质量的影响占优；第4～6阶固有频率先升后降，先是刚度的影响占优，后是质量的影响占优。在壁厚条件相同的情况下，双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大。

3 结 论

1)双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大。两种不同流体流动方式的三通管的前六阶振型主要是整体梁变形。

2)在双进单出三通管中，当流体刚流入管内时，流速较低、压强较高；当两股流体在三管交界处交汇时，流速增加，压强降低；在单进双出三通管中，当流体流入管内时，流速较高，压强较低，当流体流入三管交界处交汇时，流速降低，压强先变小后逐渐增加，随后在流体分流至左右管时压强逐渐降低。

3)随着入水口压强的增加，双进单出三通管的固有频率有明显的增加，单进双出三通管的固有频率增加的不明显；入水口速度大小的改变对于结构固有频率的影响很小，但是随着入水口速度的增加，三通管的固有频率也有所增加；在三通管外径不变的情况下，随着壁厚的增加，前三阶固有频率明显降低，是由于质量的影响占优；第4～6阶固有频率先升后降，先是刚度的影响占优，后是质量的影响占优。在入水口压强、入水口流速和壁厚等条件相同的情况下，双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大。

参考文献：

[1]桑永,邵利来,王旭东.基于ANSYS大流量管路流固耦合振动分析[J].液压气动与密封,2018,38(7):1-5.

[2]齐欢欢,姜乃斌,黄旋.输液管道流固耦合有限元分析[J].机械工程师,2016(1):205-207.

[3]熊雄,周知进.压力脉动作用下管道的流固耦合瞬态分析[J].机床与液压,2019,47(16):118-122.

[4]姬贺炯,白长青,韩省亮.输流管道动力有限元建模及实验研究[J].应用力学学报,2013,30(3):422-427.

[5]赵宁.基于Workbench的流固耦合作用下弯管的振东分析[J].辽宁化工,2017,46(8):795-799.

[6]张晓明.基于ANSYS Workbench的流固耦合室内供水管道振动特性研究[D].重庆:西南大学,2018:1-67.

[7]王涛.基于ANSYS Workbench的输液管道振动特性分析和振动控制的研究[D].石家庄:河北科技大学,2010:1-92.

[8]卢嘉伟,朱汉华,焦文健,等.竖直输液弯管流固耦合作用振动分析[J].中国修船,2018,31(1):6-9.

[9]俞树荣,马璐,余龙.弯曲输流管道流固耦合动力特性分析[J].噪声与振动控制,2015,35(4):43-47.

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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