| 标题 | 附加水体质量模型的压力管道流激振动分析 |
| 范文 | 徐存东等 摘要：针对高扬程泵站压力管道振动的安全隐患，提出采用附加水体质量的方法，建立基于流固耦合的泵站压力管道数值模型，并以景电灌区一期二泵站1号压力管道为例进行不同工况下的模态参数辨识，分析压力管道位移变形规律及其流激振动特点。数值模拟结果表明：压力管道最容易激发的振动变形在于4号机进水管和出水管处，高阶模态的振型要比低阶模态的振型振动幅度更大，而且随着阶次的增高，不易被激振的出水管也逐渐产生振动变形，但是，8号机进水管的开启与否对整体管道的振动影响不大。有限元的数值模拟分析结果与现场试验所测结果基本一致，表明附加水体质量模型方法计算简单，结果可靠，在泵站压力管道的流固耦合模拟应用中具有一定优势。 关键词：压力管道；流固耦合；附加水体质量法；模态分析 中图分类号：TV675 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2014）01-0138-07 流体的存在会对结构的固有性质、运动方式产生显著的影响。由于压力管道是钢管材质，在流体作用下会产生弹性变形，对其流激振动的研究就必须考虑到钢管和流体的相互作用产生的耦合振动。流体运动和工程结构是相互作用的两个系统，这种相互作用表现为流体对于弹性系统的惯性、阻尼及弹性诸方面的耦合现象。随着电子计算机的应用和数据处理方法的完善，结构动力学和流体力学实验技术取得长足发展，为分析流固耦合问题奠定了基础[1]。针对大型泵站压力管道工作中出现的流激振动问题，人们通常采用ANSYS有限元分析软件进行耦合分析，模拟流体与结构相互作用。其中，附加质量法与流体单元法是有限元求解流固耦合问题的两种重要方法。 尽管附加质量法不能像流体单元法那样真实、全面地反映结构和流体的相互作用，但附加质量法在ANSYS有限元软件中实现起来比较方便，因此在工程中得到了广泛应用[2]。附加质量法是一种估算“湿模态”的有效方法。它将不可压缩流体对结构模态的影响，看作由于流体的存在增大了结构的总体质量，继而改变结构模态。本文将建立流固耦合有限元仿真模型，通过附加水体质量模拟水体对管壁的振动影响。 1 模型计算基本理论 1.1流固耦合的运动方程 流固耦合的结构分析是建立在流体力学和固体力学之上的，因此需要依据流体力学和固体力学的基本理论来研究流固耦合的基本原理[3]。在流体与固体的两相运动过程中，流体运动对固体界面产生了一定的力学影响，反过来，固体又把这种影响反作用于流体，改变流体的运动状态[4-5]。在流固界面上，由于两相体具有共同的运动作用力和速度，可以把流体视作弹性体，其动力学离散方程可表示为： 2 工程实例 2.1 工程概况 景泰川电力提灌工程（以下简称“景电工程”）是中国最大的高扬程、大流量的电力提水灌溉工程。景电工程第一期工程建于1969年-1974年，建成泵站13座，装机容量6.7万kW，灌溉面积30.6 hm2。景电二期工程1984年7月开工，1999年竣工验收，建成泵站30座，装机容量19.27万kW，灌溉面积52.05 hm2。 长时期的输水提水工作，使得景电工程管道气蚀空化严重、振动异常，对其安全运行造成严重影响。其中一期二泵站建设年代较早，其压力管道振动相对其他泵站较为剧烈。一期二泵站共有四组管道，分别为1号、2号、3号、4号压力管道（图1），每组压力管道链接两个泵机，共8个泵机。图1为一期二泵站压力管道与机组总布置平面图。本文以一期二泵站的1号压力管道为例，建立ANSYS有限元模型，验证附加水体质量模型的模拟效果。 2.2 边界约束条件 在压力管道的模态分析计算中，为能达到对管道结构的仿真模拟，需要对压力管道模型施加边界约束条件、水体压力等[15]。在其模态分析中施加的边界约束条件如下。 （1）固端位移约束。现场压力管道的两个进水口是在墙壁中穿过，可以看作是固定端约束，因此，在有限元模型中外单元节点上施加全约束。 （2）支墩位移约束。1号、2号、3号支墩主要对压力管道起到竖向位移振动约束，因此对1号、2号、3号支墩进行径向位移约束，选取支墩处上冠与主轴相接的一组圆环形节点，施加径向位移约束。 对于4号支墩，因压力管道模型并未包含4号支墩，因此在4号支墩的临街面上施加顺水流方向的位移约束。 （3）重力约束。重力的施加比较简单，在ANSYS软件中，只需要定义材料的特性、重力的方向及加速度即可。数值单位取g=9.81 m/s2。 2.3 计算工况 有限元的模态仿真按下列两种工况进行分析。 （1）工况一。4号泵机开启工作，8号泵机关闭，分析其压力管道的工作模态及变形。 （2）工况二。4号泵、8号泵均开启工作，分析其压力管道的工作模态及变形。 2.4 附加水体质量模型 3 模态仿真分析 模态计算时，采用子步法（Subspace）分别计算在水压力下管道的模态分析，计算得到了工况一和工况二压力管道的前6阶模态频率及振型。为了更能明显地显示模态振动的变化影响，本文输出的振型图以及位移变形图为ANSYS默认放大55倍之后的图形。 3.1 工况一 （1）模态分析。工况一前6阶模态振型计算结果见图5。 从图5的前6阶模态阵型图中可以看出：压力管道最容易激发的振动部位在4号机进水管和出水管两处，高阶模态要比低阶模态的振动幅度更大，而且随着阶次的增高，不易被激振的出水管也逐渐产生振动变形。总体来看，对于低阶模态的振动，4号机进水管和出水管更容易激振，振动变形较大；对于高阶模态的振动，4号机进水管和1号、2号支墩处振动变形较大，容易激振，而出水管不易激振。但是无论高阶或是低阶模态，8号机进水管始终振动不大。因此，根据振型图分析，压力管道的振动薄弱部位，即最容易激振、产生振动变形的部位是4号机进水管和1号、2号支墩处，需要加固。 4 结论 [JP]建立了泵站压力管道的流固耦合有限元模型，采用附加水体质量的方法考虑管壁与流体的相互耦合作用，模拟分析泵站压力管道的流激振动特点。工况一和工况二两种工况 的对比分析表明，管道和泵机的同步或不同步的开启、关闭会对压力管道的振动变形部位产生不同的影响。只开启4号泵和4号、8号泵均开启的情况下，低阶模态振动变形较大部位都在出水管和4号机进水管；而高阶模态的振动变形有明显差别，只开启4号泵时的振动变形主要发生在1号支墩处，4号、8号泵均开启时的振动变形主要发生在出水管处。 通过现场的DASP的试验结果也表明，试验获取的振型频率和位移变形幅度与ANSYS有限元仿真分析的结果相吻合。因此，通过附加水体质量的方法简化模拟泵站压力管道管壁与水体之间的耦合振动作用，能取得合理的结果，可以在泵站等水工建筑物结构的分析中广泛应用。 参考文献（References）： [1] 杨剑，张璞，陈火红.新编MD NASTRAN 有限元实例教程[M].北京：机械工业出版社，2008：316-335.（YANG Jian，ZHANG Pu，CHEN Huo-hong.New MD NASTRAN Finite Element Tutorial Examples[M].Beijing：China Machine Press，2008：316-335.（in Chinese）） [2] 徐国斌，张婷婷，王海军，等.河床式水电站流道水体附加质量计算方法研究[J].水利水电技术，2012，43（3）：19-22.（XU Guo-bin，ZHANG Ting-ting，WANG Hai-jun，et al.Study on Method of Calculation on Additional Mass of Water in flow-channel of Hydropower Station in River Channel[J].Water Resources and Hydropower Engineering，2012，43（3）：19- 22.（in Chinese） [3] 宋学官，蔡林，张华.ANSYS流固耦合分析与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2012.（SONG Xue-guan，CAI Lin，ZHANG Hua.ANSYS Fluid-struc Ture Interaction Analysis [HJ1.95mm]and Project Examples[M].Beijing： China Water Power Press，2012.（in Chinese）） [4] 陈贵清，郝婷玥，戚振宕.物理参数对压力管道振动固有频率的影响[J].唐山学院学报，2005，18（4）：96-99.（ CHEN Gui-qing，HAO Ting-yue，QI Zhen-dang.Physical Parameters of the Natural Frequency of the Pressure Ppipe Vibration Effects[J].Tangshan College，2005，18（4）：96- 99.（in Chinese）） [5] 王其正.结构耦合动力学[M].北京：宇航出版社，1999：226-234.（WANG Qi-zheng.Structural Coupling Dynamics [M].Beijing：Aerospace Press，1999：226 -234.（in Chinese）） [6] F H J Bungartz.Fluid-Structure Interaction-modeling，Simulation，Optimization [M].Springer，Berlin，Heidelberg，2006. 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