建筑管道的流固耦合動(dòng)力學(xué)分析

徐濤 王波 周東 肖孜 李峰 余凡

摘 ? 要：針對(duì)民用建筑管道振動(dòng)問(wèn)題，采用流固耦合對(duì)管道進(jìn)行流場(chǎng)及模態(tài)分析，通過(guò)流場(chǎng)分析得出由于脈動(dòng)壓力的影響，其湍動(dòng)能也有較大波動(dòng)，且在彎管處的湍動(dòng)能波動(dòng)最為明顯，且彎管處伴隨著二次流現(xiàn)象，極大的增加了管道內(nèi)的能量損失，也是引起管道振動(dòng)的一部分原因;通過(guò)模態(tài)分析得出在第一階固有頻率與壓力脈動(dòng)頻率較為接近，有較高共振的可能;為消除共振，對(duì)管道施加不同約束，得出固定約束應(yīng)與彎管保持一定的距離，同時(shí)在彎管兩端同時(shí)施加約束能夠使管道振動(dòng)幅度最小;通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比，說(shuō)明了流固耦合在管道振動(dòng)分析中具有一定的可行性，且具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：建筑管道 ?流固耦合 ?管道振動(dòng) ?壓力脈動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：V216.8;TH137 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）05（a）-0085-05

Abstract：Flow field and modal analysis of pipelines using fluid-solid coupling for civil building pipeline vibration problems，The turbulent energy is affected by the inlet pressure pulsation and has large fluctuations in the pipeline， and is most obvious at the elbow. At the same time， accompanied by the secondary flow phenomenon， the energy loss in the pipeline is greatly increased and the pipeline vibration is caused; Through modal analysis， it is found that the first-order natural frequency is close to the pressure pulsation frequency， and it is highly probable that resonance occurs;In order to eliminate the resonance phenomenon， different constraints are applied to the pipeline to analyze， and it is concluded that the fixed constraint should be kept at a certain distance from the elbow， and the simultaneous application of the constraint at both ends of the elbow can minimize the vibration amplitude of the pipeline;The comparison between experiment and simulation shows that the fluid-solid coupling has certain feasibility in pipeline vibration analysis and has certain engineering application value.

Key Words： Building pipe; Fluid-structure coupling; Pipe vibration; Pressure pulsation

管道系統(tǒng)作為一種重要的工程結(jié)構(gòu)，在給水排水、消防、供暖等生活設(shè)施中有著廣泛的應(yīng)用，隨著人們對(duì)生產(chǎn)、生活環(huán)境要求的提高，其振動(dòng)噪聲問(wèn)題越來(lái)越突出。

管道的強(qiáng)烈振動(dòng)會(huì)使管道與附件、管道之間的連接處發(fā)生磨損松動(dòng)，引起管道和支架材料的疲勞損傷，甚至發(fā)生斷裂，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。同時(shí)管道還起到了傳遞振動(dòng)、噪聲的作用，不利于對(duì)振動(dòng)噪聲的控制和隔離，在民用建筑中如減震措施不到位，則地下室內(nèi)水泵的振動(dòng)噪聲沿管道四處傳播，高層的排水流過(guò)低層時(shí)產(chǎn)生較大的壓力脈動(dòng)，也會(huì)使低樓層的管道產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。同時(shí)還可能使管道連接處發(fā)生斷裂，使得房屋墻壁進(jìn)水破壞住戶裝修及電器。當(dāng)水流滲入電力設(shè)備還會(huì)產(chǎn)生較大的安全隱患。

引起管道振動(dòng)的原因有很多，主要包括流體脈動(dòng)、流體沖擊、共振等幾個(gè)方面[1-6]，常用的減振方法也有很多，如改變管路布局、在管道的適當(dāng)位置安裝消振器、在管路上安裝緩沖器[7-8]，但這些方法在民用建筑中不太適用，目前很多的民用建筑管道均采用的固定支撐來(lái)進(jìn)行減振，但是固定支架會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生較大的應(yīng)力[9]，所以管道的固定位置以及應(yīng)力大小的確定久顯得尤為重要。

本文通過(guò)對(duì)民用建筑常用的彎管進(jìn)行分析，通過(guò)流固耦合對(duì)其仿真來(lái)確定管路的振動(dòng)頻率以及對(duì)其優(yōu)化，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證明了流固耦合對(duì)彎管的分析具有一定的可行性。

1 ?建模與邊界條件

1.1 計(jì)算模型

選擇常用的一條管路系統(tǒng)，采用SolidWorks建模、Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其幾何流體域和固體域網(wǎng)格如圖1所示，本文采用流固耦合方式對(duì)管道振動(dòng)進(jìn)行分析，鋼管內(nèi)的流體流動(dòng)采用fluent進(jìn)行仿真，鋼管的結(jié)構(gòu)仿真采用Static Structural 進(jìn)行仿真，兩者的數(shù)據(jù)通過(guò)流固耦合面（FSI，F(xiàn)luid-Structure Interaction）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，其模態(tài)分析是以Static Structural仿真的結(jié)果為初始條件采用Modal 模塊進(jìn)行仿真，如圖2所示。

鋼管外徑100mm，厚度4mm。其流體與固體參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 邊界條件

采用Fluent-Workbench流固耦合分析，其邊界條件也分為流體邊界條件和固體邊界條件。

由于流體域內(nèi)的流動(dòng)存在著壓力脈動(dòng)，所以其入口速度及壓力并非始終保持不變，故該仿真采用壓力入口，且通過(guò)UDF（User Define Function）對(duì)管道入口施加一個(gè)連續(xù)脈動(dòng)壓力，使其壓力隨著時(shí)間按余弦變化來(lái)定義入口壓力，其UDF如下：

將Fluent仿真得到的壁面壓力結(jié)果通過(guò)FSI設(shè)置為Static Structural中仿真的初始條件進(jìn)行靜力學(xué)分析，最后將靜力學(xué)分析結(jié)果設(shè)置為Modal的初始條件進(jìn)行模態(tài)分析，得到其6階模態(tài)及其頻率。

2 ?計(jì)算結(jié)果

2.1 流體域結(jié)果分析

湍流動(dòng)能是湍流速度的漲落有著密切關(guān)系，湍動(dòng)能越大，能量損耗越多，速度波動(dòng)越大。圖3為對(duì)管道內(nèi)三點(diǎn)湍動(dòng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖，圖4為速度矢量圖。從圖3中可以看出當(dāng)管道內(nèi)水流流經(jīng)A、B、C三點(diǎn)時(shí)，其湍動(dòng)能均有明顯變化，由于入口脈動(dòng)壓力的影響，其湍動(dòng)能也會(huì)產(chǎn)生一定的脈動(dòng)。在A點(diǎn)出湍動(dòng)能明顯小于B、C兩點(diǎn)，這是由于入口流經(jīng)A點(diǎn)的該段管道為直管，對(duì)速度無(wú)明顯影響，其湍動(dòng)能的波動(dòng)為入口壓力脈動(dòng)的影響所造成的，但在經(jīng)過(guò)彎管B處時(shí)波動(dòng)幅度最大，這是由于水流在經(jīng)過(guò)彎管時(shí)由于離心力的作用，管道內(nèi)的流體均會(huì)向管道外側(cè)擠壓，從而是彎管內(nèi)側(cè)的流體無(wú)法完全接收到前面?zhèn)鬟f的能量，從而產(chǎn)生較大的速度差，使其湍動(dòng)能有著明顯的變化，根據(jù)伯努利方程可以知道速度與壓力成反比，當(dāng)彎管有著較大的速度差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大的壓力梯度，當(dāng)產(chǎn)生逆壓梯度時(shí)，管道內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生如圖4的二次流現(xiàn)象。二次流現(xiàn)象對(duì)管道振動(dòng)有著較大影響，同時(shí)也伴隨著較大的能量損耗，所以在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)要盡量避免二次流。隨著水流的流動(dòng)，當(dāng)水流到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，其彎管對(duì)該點(diǎn)的影響明顯減弱，其湍動(dòng)能波動(dòng)也隨著減弱。

2.2 固體域結(jié)果分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的一種方法，其最終目的是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)闡述，為結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。模態(tài)振型僅有助于理解結(jié)構(gòu)振動(dòng)，并不代表真實(shí)位移，模態(tài)分析中變形結(jié)果是相對(duì)變形分布趨勢(shì)，不代表真實(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)Static Structural能得到振型和位移結(jié)果，但不能得到分布趨勢(shì)。

圖5為六階振型分布云圖，第2、3、4、6階振型最大位移均位于兩段直管中部，去哦自己跑美國(guó)第2、3階振型頻率接近，且均為拉伸振動(dòng)，4、6階振型為彎曲振動(dòng);第1、5階振型最大位移位于彎管處，第1階為拉伸振動(dòng)，第5階為彎曲振動(dòng);從圖中還可以看出第一階振型的固有頻率為13.824Hz與脈動(dòng)壓力給的10Hz頻率非常接近，很有可能產(chǎn)生共振現(xiàn)象，所以很有必要對(duì)該管道進(jìn)行一定約束，改變其頻率使其減小振動(dòng)的同時(shí)避免共振產(chǎn)生。

3 ?約束位置對(duì)管道振動(dòng)的影響

由于模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)未經(jīng)約束的管道容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，故需對(duì)管道進(jìn)行約束分析。其約束點(diǎn)見(jiàn)圖6，工況見(jiàn)表2。

通過(guò)對(duì)不同工況進(jìn)行模態(tài)分析及靜力學(xué)分析，得出不同工況下的六階振型頻率（見(jiàn)表3）和不同工況下的最大位移幾最大應(yīng)力（見(jiàn)圖7）。

當(dāng)給管道施加一個(gè)約束時(shí)，其固有頻率都有不同程度的升高，但在給管道施加約束時(shí)不僅要考慮其共振與振動(dòng)頻率，同時(shí)還需要考慮支架約束時(shí)所產(chǎn)生的最大應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)固定在墻體的支架產(chǎn)生損壞，同樣也會(huì)產(chǎn)生安全隱患，所以在對(duì)管道進(jìn)行約束時(shí)需要綜合考慮。結(jié)合表3和圖7可以看出，當(dāng)約束在直管處時(shí)，其最大應(yīng)力及最大位移均要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于約束處于彎管處的工況，所以在進(jìn)行支架固定時(shí)盡量避免在彎管處，當(dāng)約束點(diǎn)位于P4時(shí)，相對(duì)于P1，其最大應(yīng)力有所上升，但最大位移減小，且兩者頻率較為接近。所以在進(jìn)行支架固定時(shí)可以在彎管兩端進(jìn)行固定，從工況6中可以看出，當(dāng)同時(shí)固定P1和P4時(shí)，其最大應(yīng)力在工況1與工況5之間，但最大位移為所有工況中最小。

故在進(jìn)行管道支架固定時(shí)，當(dāng)只能設(shè)置一個(gè)支架應(yīng)當(dāng)與彎管保持一定的距離，若對(duì)支架數(shù)量無(wú)較大限制，可以在彎管前后兩段進(jìn)行約束，這樣管道振動(dòng)最小，同時(shí)也最不容易與水流產(chǎn)生共振。安全系數(shù)最高。

4 ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證管道約束對(duì)管道振動(dòng)有影響，現(xiàn)采用Lab VIEW軟件與cRIO 9035嵌入式實(shí)時(shí)采集與控制器對(duì)管道表面進(jìn)行信號(hào)采集。將加速度傳感器貼于管道上，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖8所示。

通過(guò)對(duì)水流通過(guò)時(shí)的管道進(jìn)行加速度監(jiān)測(cè)，得到其穩(wěn)定時(shí)加速度分布曲線如圖9所示。

從圖中可以明顯看出無(wú)約束時(shí)加速度明顯大于有約束的管道，加速度大小也體現(xiàn)了管道的振動(dòng)幅度，這與前面仿真結(jié)果較為吻合，說(shuō)明采用流固耦合對(duì)管道進(jìn)行仿真具有一定的可行性。

5 ?結(jié)論

通過(guò)對(duì)常用彎管的有限元建模進(jìn)行流固耦合分析，可以得出：

（1）通過(guò)其無(wú)約束管道流場(chǎng)分析可以看出當(dāng)水流經(jīng)過(guò)彎管處時(shí)湍動(dòng)能波動(dòng)較大，同時(shí)彎管內(nèi)側(cè)還伴隨著二次流的產(chǎn)生，極大地增大了能量損耗及管道振動(dòng)。

（2）通過(guò)對(duì)無(wú)約束管道進(jìn)行模態(tài)分析可以看出管道的第一階振型頻率與入口的壓力脈動(dòng)頻率較為接近，容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，需要對(duì)管道進(jìn)行一定的約束來(lái)消除共振現(xiàn)象。

（3）根據(jù)不同位置的約束對(duì)管道模態(tài)進(jìn)行分析，得出在進(jìn)行施工時(shí)，對(duì)管道進(jìn)行約束盡量避免在彎管處直接約束，應(yīng)盡量與彎管保持一定的距離，最好能在彎管兩側(cè)進(jìn)行共同約束。

（4）通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)管道進(jìn)行減振分析，同時(shí)用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，不僅節(jié)約了改造成本，而且能夠有效的控制管道振動(dòng)延長(zhǎng)管道使用壽命，在工程實(shí)際中有一定的指導(dǎo)作用。

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