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1、摘 要充液管道的流固耦合研究有着广泛的工程背景和重要的理论学术价值。本文在解决三峡大坝引水管道系统在小开度情况下出现的、可能由水体共振引起的异常振动问题的基础上，总结了对水体部分所进行的相关振动频率的基础研究。利用先进的CAE仿真技术，模拟计算了一些可能影响充液管道内水体的固有频率因素，并总结了各因素的影响规律。本文研究所得出的方法和结论可为输液管道工程的设计部门提供参考。本文的研究内容和结果主要如下：1.2.3.MSC系列仿真软件的二次开发。充分利用MSC.Patran自带的PCL语言实现参数化建模、用户与数据交互、菜单设计等功能的自主开发。实现手工操作难以完成的建模要求，提高建模速度；利用
2、FORTRAN语言编程自定义子程序，可为水体共振数值模拟提供流体非定常压强边界条件，完善了MSC.Dytran软件功能。弯管液固耦合控制方程的推导。在基于环状坐标系的情况下，从流体的连续性方程，微分控制方程以及管壁薄壳运动微分方程出发，将Walker与Phillips建立的直管液固耦合六方程模型推广到弯曲管道，建立弯管液固耦合情况下的六方程模型。从理论上证明了水体固有频率随着管道弯曲度的增大而增加。充液管道液固耦合振动CAE研究。针对三峡引水管道的实际情况，对管壁的约束条件、管道出口的不同开度、弯曲管道等情况进行数值模拟计算，找出影响水体固有频率的规律。经计算，发现管壁约束越强、出口开度越大、
3、弯曲度越大，水体固有频率也越大。在相同的其他条件下，充液管道泊松耦合越强(即径向位移大)，水体固有频率越小。关键词：充液管道 流固耦合 振动频率 二次开发 数值模拟IAbstractThe analysis of fluid-structure interaction of pipes has extensive engineering back-ground and important theoretical and research worthiness. In this paper, the vibration fre-quency of water body was researche
4、d based on solving the problem of abnormal vibrationwhich appeared in the Three Gorges pipeline system in the case of small opening that maybe caused by water body resonance. The advanced CAE simulation technology was usedto simulate a series of fluid-filled tubes in order to find out various factor
5、s which may af-fect the water body vibration frequency. Some ways and conclusions received in this pa-per can be used as a reference for the pipeline design.The contents and results of this study are mainly as follows:1.2.3.Secondary developments of MSC simulation softwares. Functions such as parame
6、tricmodeling, user interacting with data and menu designing are achieved by fully use ofthe PCL language. Modeling requests which are difficult for the manual operation arerealized and the modeling speed is enhanced through these functions; TheTime-depen- dent boundary conditons are added for MSC.Dy
7、tran through user defin-ing subroutines which are compiled with the Fortran language.Liquid-filled elbow pipes coupling equations derivation. Based on the ring coordinate,the Walker and Phillipss 6-equations model is extended from the continuity equations,differential control equations of liquid and
8、 differential motions equations of thin shellto a new model that can be applied to the elbow pipe. Its proved theoretically that thewater bodys inherent frequency increases along with the pipeline bending increasing.CAE research for liquid-structure interaction vibration. Numerical simulations arema
9、de for models with different restrictive conditions, exits of different opening andbendings to identify their impact on the water bodys inherent frequency. After com-putation, we find out that under the same other conditions, the stronger Poisson cou-pling is, the smaller water bodys frequency is.II
10、Key words: Liquid-filled pipe;Fluid-structure interaction;Vibration frequency;Secondary development;Numerical simulationIII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全
11、了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于:保 密 ，在_年解密后适用本授权书。不保密。(请在以上方框内打“”)学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日1 管道液固耦合振动研究综述1.1 引 言充液管道系统广泛应用于海洋工程、电力工业、核工业、飞行器动力装置及日常生活中。在实际工程应用中，充液管道涉及到泵，阀门，喷嘴等变工况元件的工况变化；管系被激励时，也会
12、发生液体流速或压力脉动而引发结构振动；并存在着弯管连接件及液体和管道之间的泊松耦合作用，从而使整个管系中存在多种相互耦合的振动波，振动机理非常复杂。每年因为管道振动所带来的经济损失也很巨大，因此充液管道系统振动特性的研究具有广泛的工程背景和经济意义。随着工业化的迅速发展，尤其是水电、核电站对安全性的要求不断提高，管道研究的内容包括建模理论、液固耦合共振的控制理论、声振能量传递特性、振动响应评估等都取得了长足的发展。在实际的工程设计中，针对不同的约束和边界条件也都具有了较为成熟的理论控制方程和试验数据。但也因为是出于实际工程需要的原因，大多数的理论及实验测试都是针对管道的研究，对液体部分的振动情
13、况研究较少。而在实际的工程设计中，水体的振动特性也很重要。譬如在三峡电厂左岸电站 5 号、6 号 ALSTOM 机组的紧急关机试验过程中, 当引水系统活动导叶关闭到极小开度时(约 4%)所出现的异常强烈振动现象，就被认为是因水体共振所导致的。解决的方案也就是找出管道水体的振动固有频率，通过设置或改变某些物理参数避免外部的扰动振源激发水体共振。另一方面，CAE(计算机辅助工程)仿真技术发展迅猛。自美国科学家 R.Courant在 1943 年提出有限元法的基本思想以来，不少的应用数学家、物理学家和工程师分别从不同的角度对有限元的离散理论、方法和应用进行了研究，CAE 技术的算法得到不断完善。随着
14、电子计算机的出现和飞速发展，CAE 更是解决了很多过去受限制无法分析的复杂问题，也避免了很多低水平重复的繁杂工作，已经成为解决实际工程问题的首选方案。现以广泛应用于航空、船舶、汽车及电站等重大工程的设计当中。在国外，到上世纪 80 年代中期，就逐步形成了商品化的通用和专用 CAE 软件，1出现了譬如 ANSYS,MSC,ABAQUS 等知名有限元分析软件，国外的 CAE 运用技术也不断成熟，进一步促进了科技的进步和发展。在国内使用 CAE 技术较晚，但发展也 较 为 迅 速 。 除 了 在 CAE 软 件 的 使 用 上 ， 国 内 近 年 来 也 开 发 了 几 款 诸 如JIFEX,FEM
15、,FEPS 等 CAE 软件。但与发达国家相比还是存在较大差距，特别是具有自主知识产权的大型通用分析软件的开发和 CAE 技术的工业化方面。我国的 CAE技术工作者还须加大力度开发自己的计算机分析软件，才能改变技术上受制于人的局面。本文的研究工作基于与华中科技大学能动学院合作项目“三峡电厂引水系统水体共振的数值模拟”。研究内容包括与该项目相关 MSC 软件的二次开发以及对整个管道液固耦合共振系统的某些水体领域进行理论修整及数值验证。意义在于为以后的 CAE 用户提供可借鉴的经验和进一步完善管道系统的研究体系。1.2 充液管道系统振动研究概况1.2.1 充液管道系统振动研究的主要领域由于充液管道
16、系统中的管道结构形式复杂，振源多样，既有管道振动波，又有液体波，而且在弯管等液体与管道强耦合区域，能量在管道波与液体振动波之间相互传递，使充液管道系统的振动问题成为一个复杂的研究领域。早期对充液管道的研究主要以经典水锤理论研究为主。管道假设为刚性，只考虑液体波动的影响。管道结构分析也一般都是先计算液体的响应，以此作为激励来对管道结构做响应分析，不考虑充液管道系统振动液体与管道之间的耦合作用。随着现代工业的发展，实际工程中的管路系统越来越复杂，不考虑液固耦合作用的计算模型的预测结果和实际情况相差很大，从而大大降低了管路系统的安全性。所以近年来，管道系统的振动研究都是考虑耦合作用的。对管道系统的振动研究领域主要分为理论研究、动力学研究、实际管道系统振动特性研究及能量流研究等几部分。理论研究主要是充液圆柱壳的振动波理论研究；动力学稳定性研究主要是各种边界条件下的简单直管管系与单弯管管系在不同液体2流速时的“失稳”问题，即“鞭击”现象问题，还包括管道与液体的非线性对管系振动的影响研究；充液管道系统的响应计算的研究目的主要是计算管系在不同激励情况下的振动响应，即响应评估
