管道系统作为一种最具有代表性的流体输送系统,在众多的工业领域具有十分广泛的应用,发挥着极其重要的作用. 但管路系统工作过程中不可避免地会出现由于各种原因而产生的非定常流动,它会引起系统的振荡,降低系统运行的可靠性、恶化工作环境、影响仪器仪表的精度、导致管道结合部渗漏,严重时使管道爆裂或系统失效而成为大的事故[1 ] .1993 年湖北阳逻电厂输水系统发生3 次事故,造成冷凝器附近的伸缩节、冷凝器和泵房堵头的变形和破坏. 在运载火箭发射过程中也存在流固耦合引起的振动问题,大型液体火箭的结构纵向振动与推进系统相互作用而产生的一种不稳定的闭环自激振动(通常称之为POGO 振动) 引起火箭剧烈的低频振动,使整个火箭出现不稳定,导致火箭上仪器设备和卫星的可靠性降低甚至飞行失败[2 ] . 因此探求管道系统流固耦合作用的机理和运动规律、动力学行为,不仅对维护管道系统的运行有十分重要的意义,而且对研究其他结构的流固耦合也具有直接的借鉴作用.对于有压输水管道,系统操作会诱发水力暂态过程,严重时产生称为水击或水锤的极端水力现象,当水击压力以波的形式在管道中运动时,又将其称为压力涌浪. 由于水力暂态而诱发的管道振动在振动力学中也可称为喘振. 作为一种极端的非定常流动问题,水击产生的压力升高以波的形式在管道系统中运动,对于少约束或是弱约束的管道系统来说,波的运动会诱发管道产生自激振动,甚至大幅振荡,而振动又会引起新的水力暂态过程,从而造成了在管道中同时并存有流体运动、压力波动以及管道振动等多种运动的形式,这些具有不同特性的运动形式之间的耦合作用称为流体与结构之间的耦合( Fluid St ruct ure Interaction) ,或简称为流固耦合( FSI) [ 3 ] .

    ADINA 有限元软件具有强大的多物理场耦合功能,本文首先建立流固耦合有限元模型,然后运用ADINA 中的FSI 模型进行流体与管道固体结构的耦合计算. 通过设定管道进口流速,从而准确地模拟非定常流动,更加精确地模拟流体输送系统过渡过程,同时也模拟了管道结构的应力、应变和固有频率,为管道的约束、强度的校核提供了准确的依据.

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