基于workbench的竖直管道流固耦合特性分析

张佳亮,马思达,康也

摘要：随着工业化进程不断加快，油气输运相关问题十分重要。其中对竖直管道的研究显得尤为重要。本文通过利用workbench软件对竖直管道进行建模分析，得到了管道内流体对管道的影响。其中分析了管道在流体影响下的最大变形和最大应力及其分布状态。模态分析可以得到管道系统的模态振型，可以为管道的安装和维护提供参考，避免固有频段，有效避免共振现象。

关键词：竖直管道；有限元；流固耦合

引言：随着我国工业、经济和社会的不断快速发展，经济社会发展以及人们日常生活对能源的需求量正持续快速增加，从而导致陆地上石油天然气资源不断减少。同时，日益减少的石油资源使我国石油对外依存度也逐年增加，并且已经超过安全警戒线。由于石油在国民经济运行中起着重要的作用，其对外依存度的加大不但能够威胁我国能源安全，而且还会对我国经济的发展产生负面影响，从而在很大程度上阻碍我国经济的正常发展。因此，为了解决赖以生存的石油和天然气资源不足带来的问题，必须寻找新的途径来增加油气资源的产量，以保障我国经济健康快速发展。由于海洋内的油气资源十分丰富，如果对其进行开采和利用，可以解决能源不断减少带来的问题。

在海洋油气运输中，由于受海底地形的影响，管线铺设受到限制，管道会出现一定的起伏。当垂直管内部输送的是气液两相流体时，由于相含率、压力、流速、密度等参数不断变化，这种不稳定特性会在弯管内壁产生周期性的力。当主要频率与管道的固有频率一致时，这种现象很容易造成管道的磨损或疲劳或振动。一旦管道发生破坏，会造成巨大的财产损失，甚至会造成长期性的海洋环境和生态灾。特别是气液两相流管道的流固耦合作用机理非常复杂，使得流体诱发管道动力响应特性很难预测。因此，需要对管道进行管道动力响应特性研究，来确保油田可以安全生产和运行。

1 CFD数值模拟方法理论概述

CFD又称为计算流体动力学，通过电脑进行数值计算并进行流体运动及热传导等方面的分析，简单来说就是基于三大方程，即动量、质量和能量三大方程进行的数值模拟过程。通过和试验及理论的结合组成了完整的三维体系。 随着科技的进步CFD商业软件多种多样，ANSYS 软件作为其中通用性较强的CFD商业软件可解决多数流体动力学问题。包括前期网格划分软件ICEM-CFD；中期参数设置软件FLUENT；及分析用后处理软件CFD-Post；结合Solidworks进行最初的建模过程及数据处理软件ORIGIN，最终可得到一套完整的模拟过程。

2 流固耦合机理及分类介绍

在工程实践中，管道在输送流体的过程中会产生振动，这种振动主要是由流体与固体管道的相互作用，即流固耦合效应引起的。在运输过程中，流体载荷会对管道施加作用力，引起管道的变形和运动，这就是单向流固耦合作用。变形或运动的 管道反过来又会影响输送的流体，产生双向流固耦合作用。正是因为流固耦合作用 的影响才使管道振动，严重的导致管道破裂造成严重的经济损失和生态危害。因此输流管道运动方程的建立，除了管道和流体的运动之外，还应考虑流体和管道之间的耦合，包括单向流固耦合作用和双向流固耦合作用。流固耦合主要分为以下几种

（1）泊松耦合。这种耦合方式是由于流体自身的压力与管道应力之间产生的相互作用而产生的，它的大小受到管道材料的泊松比影响，因此取名泊松耦合。泊松耦合 对流体管道的影响十分巨大，是管道寿命降低的重要影响因素。张挺等基于耦合振动四方程模型，应用经典水锤理论和拉普拉斯数值反演法，研究了考虑泊松耦合作用时的输流直管轴线振动问题，分析结果表明管道系统的压力脉动明显增加。

（2）摩擦耦合。摩擦耦合顾明思议是由于流体的粘滞力和管道内壁的摩擦力产生的。 摩擦耦合在输送流体速度较低时的影响不大，但在高速下影响较大，流体边界层会产生复杂的“团运动”会使流体管道的频率变得十分复杂，不易研究，因此对摩擦耦合研究较少。李明等应用轴向流固耦合四方程模型，对摩擦耦合对充液管道的振 动响应问题进行了分析，分析结果表明，摩擦耦合相比于其他耦合方式，对管道振 动响影响更小。

（3）结合部耦合。由于在管道铺设的过程中受到地形、空间、气候等原因会存在大量的弯管、阀门、U 型管、三通管等，这些地方会使流体压力产生突变，使流体压力失衡产生的一种耦合。连接耦合对管道连接处的影响十分巨大，不容忽视。

（4）Bourdon耦合。在流体管道输送过程中管道在连接，弯曲段往往达不到完美的圆滑，会导致流体产生压力突变，流体突变的力会产生一种使弯曲段拉直的压力载 荷，产生的耦合作用称为Bourdon耦合。这种Bourdon耦合广泛存在于输流管道弯曲段，对管道的振动特性影响也不容忽视。

3模型和网格划分

3.1 物理模型

物理模型如图1所示。该模型为长一米的圆形竖直管道。

图1 物理模型

3.2 网格划分

流体与管道网格划分情况如图2、图3所示。

图2 流体网格划分

图3管道网格划分

4 控制方程

连续性方程：

N-S方程：

湍动能方程：

能量耗散方程：

标准模型只能够描述完全湍流情况时的流动，为了能够合理的描述流态，采用壁面函数和模型相结合的方法求解流场。引入无量纲y+求解边界处第一层网格厚度，式3为y+的计算公式，保证y+=30~60，根据y+设置相应的边界层厚度。

（3）

5 内流流速对管道系统的影响

初始设置的基础上，使内流流速为 1m/s，通过软件对竖直管道系统进行应力应变分析，等效应力与总变形云图如下图所示。

如图4为等效应力云图，由图中可看出最大应力在管道上方呈圆环分布。

图4 等效应力云图

如图5为总变形云图，有图中可看出管道下方变形最大，往上依次递减。

图5总变形云图

初始设置的基础上，内流流速为1m/s，通过 Modal 对管道系统进行模态分析，前九阶模态振型图如图6。

图6 前九阶模态振型图

综合分析前九阶模态振型图可知，在本文中入水口流速作用下，管道的前九阶模态振型变化较大。第一、二、阶模态振型较为相似，第三、四、五、六阶模态振型基本不变。第七第八阶模态振型基本相同。第九阶模态振型呈现两端对称形态。所以在管道铺设施工中要避免以上振动频率，防止造成管道的应力破坏。

6 结论

本文对管道系统进行了建模与分析计算，得到了管道系统的前九阶模态振型图。得出以下结论：

管道在竖直状态下，最大应力在管道上方呈圆环分布，管道下方变形最大，往上依次递减，在工程中应对该位置进行加强；

本文得出的前九阶振型图可为工程中管道施工提供指导。

本文对管道的振动特性的研究内容进行了分析，为管道的安全性运行和优化提供了理论基础。

参考文献

[1]王小强.我国长输天然气管道现状及发展趋势[J].石油规划设计,2018,29(5):1-6

[2]窦益华.于凯强.杨向同.输流弯管流固耦合振动有限元分析[J].机械设计与制造工 程.2017,46(02):18-21

[3]梁峰. 输流管道横向振动机理及其控制研究[D].东北大学 ,2009