不同形式输液管道轴向流致振动分析的波动方法研究

Pipe conveying fluid has been with widespread application in industrial field. Flow-induced vibration is the main reason that leads to pipe failure and destruction. In this project, the wave based method is applied to study axial-flow induced vibration of pipe conveying fluid with different configurations (straight uniform pipe, non-uniform pipe and curved pipe). Firstly, the dynamic equations of pipe conveying fluid with different configurations are deduced under the assumption of axial flow. And then, the wave propagation and scattering properties at discontinuity (supports and section variations) are studied. In term of wave-closure principle, the wave models are established for pipe conveying fluid with different configurations. Finally, according to different pipes, the corresponding numerical methods are proposed for the above wave models. And the effects of fluid velocity on the vibration properties are investigated. We also calculate the critical velocities for different pipes when buckling instability happens. We intend to propose a numerical method that can analyze simple pipe system composed by multi-supports, non-uniform pipe and curved pipe, etc. such classical pipe components. This investigation will provide theoretical support for the solution of flow-induced vibration of complex engineering pipe system conveying fluid.

输液管道应用十分广泛，流致振动是导致其失效、破坏的重要原因。本项目应用波动方法研究不同空间形式（匀直管道、变截面管道、弯曲管道）输液管道的轴向流致振动问题。首先，在轴向流假定下建立不同空间形式输液管道的动力方程；其次，研究振动波在管道中的传播规律和管道不连续处（支承处、截面突变处）的散射规律，基于波循环原理，建立不同空间形式输液管道流致振动的波动模型；最后，针对不同空间形式的输液管道，提出相应波动模型的求解方法，研究管内流体流速对管道流致振动特性的影响规律，计算输液管道屈曲失稳时的临界流速。最终建立一种包含多个支承、变截面组件和弯管组件的简单输液管道系统流致振动特性计算的数值分析方法，为解决复杂工程输液管道流致振动提供理论支持。

输液管道在水利发电工程、农田灌溉、石油化工、航空航天、核工业等领域有着广泛的应用，发挥着极其重要的作用。管道工作过程中内部流体与管壁间的耦合振动是导致管道失效和破坏的主要原因，这严重威胁人民生命财产安全并易由此造成巨大的经济损失。. 本项目围绕输流管道的轴向流致振动问题，采用波动方法对不同形式的管道进行流致振动分析。分别建立了振动波在多跨管道、变截面管道和弯曲管道中的传播和散射模型，并能够分析计算这些典型管道的振动特性和动力响应；根据管道工作的实际情况，提出了支承运动状态下管道流致振动分析的Galerkin方法，获得了两端简支、一端固定一端简支和两端固定三种典型支承下管道在不同流速下的动力响应；建立了弯曲管道共振可靠性和全局灵敏度分析的截断重要抽样法；采用谱单元法建立了周期性管道流致振动特性和动力响应分析的波动模型；模拟分析了直管、弯管与分叉管的组合结构的流致振动特性。. 研究结果显示，当管道支承的振动频率与管道本身固有频率吻合时，其振动响应较大，而且支承振动频率等于奇数阶固有频率时的管道振动响应要明显大于等于偶数阶固有频率的情形；对于匀变截面管道，随着管道截面变化系数的增大，整个管道的固有频率和临界流速均呈现降低趋势；谱单元法可以对管道不同状况下的振动特性进行较精确的计算，计算精度不再依赖于网格尺寸，计算效率较高。. 输液管道流致振动分析的数值方法的提出，能够为实际管道设计、计算提供参考依据，能够为管道的疲劳寿命预测、可靠性预估提供理论依据。