流致管束振动与碰撞机理的耦合动力学特性研究

According to the flow induced tube bundle vibration and collision contact problems of nonlinear dynamics, three-dimensional tube bundle and its narrow spacial unsteady fluid are the research object. Using dynamic measuring and testing technique, carry out research of internal flow field test, and the tube bundle vibration signal and its dynamic strain measurement. So as to establish and perfect the fluid structure interaction dynamics model of fluid-elastic tube bundles-collision contact. On the basis of interface displacement coordination and load balance conditions, interpolation algorithm of non-matching coupling interface grids, multiple interface physics coupling convergence criterion and the iterative algorithm, time advance algorithm, the mesh updating method when collision contact, as well as multiple beam-beam collision contact algorithm are putted forward to achieve calculation of partitioned coupling between tube bundle and fluid. Combine numerical simulation results of tube bundle vibration and impact, and hypothesis of fluid induced tube bundle vibration. Confirm or correct discriminant conditions of fluid induced tube bundle vibration. The study results will reveal the dynamics characteristic of fluid induced tube bundle vibration and collision contact, and put forward the method to avoid tube bundle vibration resonance. The research results will enrich the fluid structure interaction dynamics theory. It has important significance for the analysis and prevention of disaster accident caused by tube bundle vibration and impact in petroleum and petrochemical industry, nuclear industry equipment.

针对流致管束振动与碰撞接触非线性动力学问题，以三维管束及其狭小空间内的非定常流体为研究对象，采用动态测试技术，开展管束内部流场测试、管束振动信号及其动应变测量，以此建立和完善流体-弹性管束-碰撞接触流固耦合动力学模型。依据界面位移协调和载荷平衡条件，提出耦合界面非匹配网格的插值算法、多界面物理量耦合收敛准则和迭代算法、时间推进算法，以及管束间碰撞接触时流体域变拓扑结构的网格更新方法、多管束梁-梁碰撞接触算法，实现流场和管束的分域耦合求解。根据管束振动与碰撞接触的数值模拟结果，结合流体诱发管束振动的成因假说，证实或修正管束振动的判别条件。预期将揭示流致管束振动与碰撞接触的动力学特性，提出避免管束共振与碰撞接触的措施和方法，其研究成果对于丰富流固耦合动力学理论具有重要意义，为分析和预防石油石化、核工业装备中的管束振动与碰撞引起的灾难性事故提供科学依据。

海洋柔性立管、换热器等管束在流体作用下，诱导管束振动过大，严重时会引起管束之间碰撞，从而导致管束失效。.首先，根据管壳式换热器等结构和工艺参数，设计并搭建了圆筒内横向流诱发管束振动实验装置。研究横向流诱导单根管以及多根管的振动规律，得到弹性管振动的加速度幅值及频率、位移及运动轨迹等数据。.其次，选取圆筒内的横向流及弹性管为研究对象，建立了圆筒内横向流与弹性管耦合的动力学模型。基于全域求解算法，得到圆筒内不同位置处、不同固有频率、不同入口流速下单根弹性管与横向流耦合振动特性。结果表明：1）偏离来流方向的角度越大，其振动愈剧烈；要减小弹性管的振动，应尽量将弹性管放置在正对来流方向。2）随着弹性管固有频率与静止绕流频率比值的变化，流体作用在弹性管横截面上的压力及流速分布规律一致；当弹性管频率比小于1.007时，弹性管的运动轨迹及振动周期随频率比的增加而减小，但当频率比大于1.007之后，弹性管类似于“刚性管”，其轨迹及周期几乎不变。3）随着圆筒横向流入口流速的增加，弹性管在垂直来流方向的振动先增加后降低，沿来流方向逐渐增大。.第三，为了提高计算效率，将弹性管离散成梁单元，采用非线性结构动力学方程描述；圆筒流体域离散成实体单元，采用计算流体动力学方程描述。考虑梁单元与实体单元在耦合界面处网格不匹配，推导了耦合界面处位移、速度和载荷计算公式及收敛判断准则，建立了圆筒内横向流与弹性管耦合的分域求解算法。.第四，运用横向流与弹性管耦合的分域求解算法，对圆筒内双根、3根、5根管与横向流耦合的振动特性进行了数值计算。结果表明：1）位于圆筒中心的弹性管，振动幅度较小；2）正对来流方向弹性管，距离流体入口越近，沿来流方向振动幅度较大；3）而偏离来流方向的管束，在来流和垂直来流方向振动幅度均较大。.最后，考虑弹性管束之间碰撞接触边界以及流体域耦合边界拓扑结构的变化，建立了圆筒内横向流诱发管束振动与碰撞的力学模型，推导了圆筒内横向流诱发管束振动与碰撞的动力学方程，建立了圆筒内流体诱导管束振动与碰撞的数值仿真算法。结果表明，在圆筒内流体中，弹性管束发生接触碰撞时，流体压力在管束接触点处相等，且有利于流体在管束侧面流动。.该研究成果为横向流诱发管束振动的数值仿真提供了分域求解算法，揭示了管束振动与碰撞机理，为海洋丛式井立管束、换热器管束结构设计及工艺参数的优选提供了理论基础。