流体在管道中流动时管道自振特性研究

作     者：李佩荣 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵子龙

授予年度：2007年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：流固耦合 附加质量 附加刚度 附加阻尼 自振特性 

摘      要：输流管道耦合振动问题是近五十年来管道流体力学、线性动力学等领域研究的热点。管道作为流体的输送载体，广泛的应用于航空航天、石油化工和核工业等领域，在农工业生产和人们的日常生活中发挥着非常重要的作用。由于该问题的复杂性，目前对它的处理主要集中在数值研究方面。 流体在管道中流动，会产生振动，流体的振动会诱发管道的振动，甚至大幅振荡，而振动又会引起流场的变化，这样管道及其周围有限区域的流体就组成一个耦合系统。本文研究了流体在管道中流动时管道的自振特性，重点研究了流速对其自振特性的影响。 首先，本文基于三维弹性理论及欧拉线性方程导出了流体在管道中流动时的有限元方程，将流体对管道的影响转换成流固交界面上的附加质量阵、附加阻尼阵和附加刚度阵，然后把这些附加项叠加到相应的质量阵，阻尼阵和刚度阵中，形成了考虑流固耦合影响后的结构质量阵、阻尼阵、刚度阵。其中附加阻尼阵和附加刚度阵都与流速有关。这样就把流固耦合结构的振动问题转化成了普通的弹性动力学问题，从而可以用求解一般动力学的方法对其进行研究。 其次，本文针对前面有限元的推导和所编的Matlab程序作了两个考证：用该程序计算了四边简支矩形板的自振频率，把程序计算得到的前四阶固有频率与相应的解析解作了比较，验证了有限元推导的正确性;把管道分为矩形薄板单元，用程序计算了不考虑流体影响时管道的自振特性，把程序计算的前四阶弯曲振动频率与解析解作了比较，验证了所编Matlab程序用于计算管道自振特性的可靠性。 最后对流体进行了划分，流体单元采用四棱柱单元，用结果验证了的有限元程序计算了流体运行时管道的自振特性。讨论了流速对结构自振特性的影响。研究表明：随着流速的增加，管道各阶自振频率都呈递减趋势;同时流速越大管道的自振频率减小越快，高阶自振频率受流速的影响较大。