有壓管道結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對管內(nèi)水錘壓力的影響研究_林毅

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1、第31卷第4期河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Vol.31No.42003年7月JournalofHohaiUniversity(NaturalSciences)Jul.2003有壓管道結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對管內(nèi)水錘壓力的影響研究林毅峰,胡明(河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院,江蘇南京210098)摘要:針對經(jīng)典水錘理論忽略結(jié)構(gòu)對水錘壓力影響的問題,深入研究了管道運(yùn)動(dòng)對管內(nèi)水錘特性的影響,建立了水錘流固耦合數(shù)學(xué)模型,分別研究了管道軸向運(yùn)動(dòng)、橫向運(yùn)動(dòng)和扭轉(zhuǎn)對水錘壓力的影響.通過具體實(shí)例,研究了流固耦合對管內(nèi)水錘壓力特性產(chǎn)生影響的程度.關(guān)鍵詞:水錘;管道結(jié)構(gòu);流固耦合;特征線法中圖分類號:TU991.36;TV13

2、4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000O1980(2003)04O0440O04經(jīng)典水錘理論能夠比較好地反映強(qiáng)約束管道系統(tǒng)的水錘現(xiàn)象,而對于火電廠、核電廠和化工廠的管道系統(tǒng)往往是懸空的復(fù)雜環(huán)路系統(tǒng)組成的弱約束管道系統(tǒng),管道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對流體的影響是不容忽略的.同時(shí),水錘波的傳播也會改變管道結(jié)構(gòu)的特性,二者將相互作用、相互影響.很多試驗(yàn)和應(yīng)用已經(jīng)表明,上述那種將流體與結(jié)構(gòu)割裂開來單獨(dú)分析的方法在某些場合會引起很大的誤差,甚至得出與實(shí)際情況截然不同的結(jié)果.因此,有必要深入研究有壓管道的流體)結(jié)構(gòu)相互作用(Fluid-StructureInteraction,簡稱FSI).1管道運(yùn)動(dòng)

3、對水錘的影響水錘流固耦合的數(shù)學(xué)模型包括流體的運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程,以及管道的運(yùn)動(dòng)方程和本構(gòu)方程.以經(jīng)典水錘理論的基本方程為基礎(chǔ),考慮管道運(yùn)動(dòng)和管壁變形對流體流速和壓力的影響,通過修正和添加相應(yīng)的項(xiàng),就可以得到考慮流體O結(jié)構(gòu)相互作用的水錘基本方程.通過考慮流體對管道動(dòng)態(tài)特性的影響,可以建立起管道的運(yùn)動(dòng)方程和本構(gòu)方程.流固耦合分析涉及管道的軸向伸縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)對流體的影響,影響因素比較復(fù)雜.為此,必須根據(jù)研究重點(diǎn)的具體需要來選擇算例,以便通過比較,找出管道具體運(yùn)動(dòng)方式對流體瞬變的影響.取如圖1所示的管道單元進(jìn)行分析,考慮管道軸向運(yùn)動(dòng)影響,可推導(dǎo)出軸向耦合4方程模型;同時(shí)考慮軸向、彎曲和扭轉(zhuǎn)

4、影響,可推導(dǎo)出全耦合的14方程模型.1.1軸向運(yùn)動(dòng)和彎曲對水錘壓力影響的比較如圖2所示的管道系統(tǒng),A,B和D端固定不動(dòng),彎肘處(C)不受外界約束.管道在C處可以產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng).管道系統(tǒng)如圖2所示圖1管道單元(z1表示CD的軸向,z2表示BC的軸向),參數(shù)如下:管材密度Q1Fig.1Pipeelement3=8940kg/m,管材泊松比L1=0134,管壁厚度D1=1127mm,管材彈性模量%1=117GPa,管道內(nèi)直徑d1=26mm.因閥門瞬時(shí)關(guān)閉在D處引起的軸向耦合和全耦合水錘壓力如圖3所示.計(jì)算結(jié)果顯示,全耦合模型算得的水錘壓力的幅值和頻率都很接近軸向耦合相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果.這表明,在影

5、響水錘壓力的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式中,軸向運(yùn)動(dòng)的影響起支配作用.管道的橫向振動(dòng)和彎曲對水錘壓力的影響很小.1.2軸向運(yùn)動(dòng)、彎曲和扭轉(zhuǎn)對水錘壓力影響的比較圖4所示的呈空間布置的管道系統(tǒng)包含B,C兩個(gè)直角彎肘,均不受外界約束.閥門端D被固定.管道收稿日期:2002O05O31基金項(xiàng)目:河海大學(xué)科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(99538513)作者簡介:林毅峰(1976)),男,廣西憑祥人,工程師,碩士,主要從事水工建筑物的設(shè)計(jì)、研究工作.第31卷第4期林毅峰,等有壓管道結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對管內(nèi)水錘壓力的影響研究441圖2管道系統(tǒng)1示意圖圖3閥門D處水錘壓力過程Fig.2Sketchofpipesystem1Fig.3W

6、aterhammerpressureatvalveD3參數(shù)如下:管道長度L2AB=2.0m,管道內(nèi)直徑d2=25mm,管材密度Q2=8940kg/m,a管道長度L2BC=210m,管壁厚度D2=1.0mm,管材泊松比L2=0.34,b管道長度L2CD=2.0m,管材彈性模量E2=117GPa.管中水初始流速為110m/s.閥門關(guān)閉時(shí)間為212ms,假設(shè)流速線性減小.D處的軸向耦合和全耦合水錘壓力如圖5所示.14方程模型算得的彎肘C處和閥門D處的水錘壓力與4方程模型的計(jì)算結(jié)果比較,差別很小.這說明在考慮流固耦合的時(shí)候,管道彎曲和扭轉(zhuǎn)對水錘壓力的影響很小.圖4管道系統(tǒng)2示意圖圖5閥門D處水

7、錘壓力過程Fig.4Sketchofpipesystem2Fig.5WaterhammerpressureatvalveDinasimplepipesystem綜上所述,在軸向運(yùn)動(dòng)、彎曲和扭轉(zhuǎn)3種管道運(yùn)動(dòng)方式中,軸向運(yùn)動(dòng)對水錘壓力的影響是主要的.2流固耦合對水錘壓力影響程度的判斷前面的分析表明,有壓管道流固耦合的各種管道運(yùn)動(dòng)形式中,對水錘壓力影響最大的是軸向運(yùn)動(dòng).結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對水錘壓力的影響,其物理本質(zhì)是管壁中的應(yīng)力波與流體中的水錘波共存于管道系統(tǒng)