输流管道的管壁径向振动仿真研究

    输流管道内的流体类型有气体，汽体，液体，两相流等。流体对管道的振动影响至少要从两个方面去了解。第一，流体可能是管道振动的激励源；第二，流体可能会影响管道的振动特性。

    对振动理论有所了解的人都知道，研究振动从模态分析开始。本文专注一个小问题。使用有限元仿真工具研究流体对管道的管壁径向模态的影响。

01 几何模型

    本文使用多个简单模型，可能不具有工程意义。分析模型包括直管模型，曲管模型，平面应力模型，平面应变模型，流体-管道耦合模型。

02 材料模型

本文使用到的所有材料参数如下。

    线弹性。

03 网格划分

    网格的整体和局部如下图所示。

04 边界条件

    自由模态分析，无约束。

05 仿真分析

    平面应力模型的模态分析结果：

    平面应变模型的模态分析结果：

    短直管模型的模态分析结果：

    长直管模型的模态分析结果：

    曲管模型的模态分析结果：

06 五个总结

1）忽略管内流体的输流管道模态分析实质是真空中的管道模态分析。

2）如果输流管道内部流体密度很小，比如空气等其它气体，则流体对管道的模态影响很小（模态频率略微降低）。

3）如果输流管道内部流体密度较大，比如纯水等其它液体，则流体对管道的模态影响较大（本例的模态频率约降低20%）

4）弯头会使管道的模态频率略微提升，由此可以想到，管道中的阀门、三通等都会使管道的模态频率有所提升，提升多少要看具体模型。

5）忽略流体耦合作用的模态分析称为干模态分析，考虑流体耦合作用的称为湿模态分析。由本例可知，某些场景下，进行湿模态分析还是有必要的。

07 附录

    研究固定约束对管道径向模态的影响。

    长直管模型的约束模态分析结果：