基于流固耦合的弯头内导流结构分析

龙血松

重庆工业职业技术学院科研项目(GZY201807-YA)资助

摘要：以直角弯头内导流结构设计为契机，考虑到弯头内部流体和导流结构的相互作用，基于abaqus和fluent建立了双向流固耦合模型，并对含导流结构的直角弯头进行了流固耦合特性分析。计算结果表明：导流结构可有效降低弯头内部流体的流速并改善流场分布，同时，弯头内导流结构能够满足强度和刚度的设计要求，为弯头内导流结构设计提供理论依据。

关键词：直角弯头；导流片；流固耦合；强度和刚度

管道系统广泛应用于诸多领域，如：电力、核工业、石化工业、舰船等。弯头作为管道系统中的重要部件，由于弯头处流体运动状态的急剧变化，以及管道系统压力脉动、空化、水锤等相互作用，使得弯头内的流动及其不稳定。同时，弯头内部不稳定流动而产生压力脉动导致管道发生变形，进而影响到弯头内部流体的流动。这种相互作用引起的振动可能导致管道系统的松动甚至断裂，也对环境带来不良影响，因此有必要开展弯头内流体和导流结构的相互作用，以实现管道系统的减振降噪。进而提高管道系统的可靠性和使用寿命。

目前，国内外学者对管道系统振动的研究取得了较大进展。张艳萍等人[1]采用有限元法和CFD，研究了变化流速下结构和流体的瞬态响应，并通过频域转换得到管道的响应频率。俞树荣等人[2]利用ANSYSWorkbench对比分析了双向耦合和单向耦合，并考虑了脉动压力对壁厚和管径的影响。卢嘉伟等人[3]运用ANSYS分析了转弯角度和支撑形式对弯管振动特性的影响。但对管道内部结构与流体流固耦合作用的研究较少。本文以直角弯头内导流结构设计为契机，分别建立含导流片直角弯头模型和内部流体模型，采用FSI处理内部流体和弯头内导流结构的相互耦合作用，分析了弯头内部流体的流动特性和弯头的强度问题，为确定导流结构的具体尺寸提供依据，指导弯头内导流结构的设计与优化。

1.研究对象

结合某管路系统中直角弯头内部结构的设计，采用导流片方式优化弯头内部结构以改善内部流动状态，减小弯头与内部流体的相互作用，同时满足弯头的强度和刚度要求。直角弯头的弯曲半径为125mm，外径为140mm，内径为124mm。直角弯头内部设计两片导流片，沿径向按黄金分割比例分布，导流片的厚度2mm，入口段和出口段均取为300mm，B导流片出口段延长15mm，见图1所示。

2.数学模型

2.1流体模型

通过对瞬态连续方程和Navier-Stokes方程时均化，得到笛卡尔坐标系下不可压流体的控制方程。

连续方程：

式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；u、u'和u''分别为位移、速度和加速度；F流体作用力。

2.3计算条件

流体选取RNGk-ε湍流模型[5]，入口速度为5m/s，湍流强度I=3%，出口压力为3MPa。采用流固耦合壁面条件，摩擦系数为0.01。模拟时间0.25s，迭代时间步长0.0025s。

弯头及导流片材料为BFe10-1-1[5]，杨氏模量130GPa，泊松比0.3，屈服应力300MPa，采用理想弹塑性模型。管道两端采用固支约束，与流体作用的壁面采用流固耦合壁面，Abaqus与fluent设置相同时间步。

3.计算结果分析

利用Fluent软件计算得到直角弯头内部流场的分布图，同时，Abaqus软件得到直角弯头及内部导流片的应力图，见图2和图3。图2可以看出，导流片的设计使得直角弯头内部最大流速从8.17m/s减小到6.34m/s，其结果略大于不考虑流固耦合的情况。设计前直角弯头出口区域0~75mm区域出现较大范围的低速区，并伴随有回流现象。流速在弯曲半径内侧最大，沿着径向逐渐减小，且梯度不断减小。设计导流片后低速区明显消失，同时内部流速更低，流场分布也更加均匀。显然，弯头内导流片改善弯头内部流体流动性，减少了管道系统产生振动的可能性，进而提高了弯头的可靠性和稳定性。

图2流体对称面和截面流场分布

图3为直角弯头及导流片的Mises应力图，图中可见，设计后直角弯头最大应力从40.65Mpa减至33.51Mpa，且最大应力从设计前的弯头内侧移至导流片与弯头连接区域附近，这于连接区域的倒角有关。很明显直角弯头内部流体流动状态的改变使得直角弯头的整个应力低于设计前。设计前的最大应力值仅为屈服应力300Mpa的13.3%，故设计前的弯头可满足弯头的强度和刚度要求。除此之外，直角弯头的应力水平较低，引起的变形量也较小，故引起管道系统内噪声的根源是内部流体的非稳定流动产生的，而非管道振动产生。恰好添加导流片很大程度上改善内部流体的流动状态，故可降低管道系统的内部噪声。

图3直角弯头Mises应力分布

4.结论

根据上述流固耦合的计算结果及其相应的分析，得到了直角弯头导流结构的设计，通过合理设计导流结构可以：（1）降低直角弯头内流体的最大流速，并改善流场的分布状况；（2）消除弯头内部的复杂流动，如回流，二次流等；（3）降低了弯头的最大Mises应力以及变形，并改善弯头的应力分布。显然，导流结构的合理设置不仅能改善直角弯头内部流动状态，而且改善了直角弯头的应力和变形特征，有效提高了直角弯头的可靠性和使用寿命。

参考文献

[1]张艳萍,徐治萍,刘士光等人.输流管道流固耦合的响应分析[J].中国舰船研究,2006,1(3):66~69

[2]俞树荣,马璐,余龙.弯曲输流管道流固耦合动力特性分析[J].噪声与振动控制,2015,35(4):43-47

[3]卢嘉伟,朱汉华,焦文健等人.竖直输液弯管流固耦合作用振动分析[J].中国修船,2018,31(1):6~9

[4]YakhotV.OrszagS.A.Renormalizationgroupanasysisofturbulence.JournalofScientificComputing,1986,1(1):39~519

[5]张启林.舰船海水管系用BFe10-1-1铜镍合金.材料开发与应用,1994,9(2):23.