垂直U形管内气液两相流诱导振动模拟 马晓旭.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143177 垂直U形管内气液两相流诱导振动模拟 马晓旭，田茂诚*，张冠敏，冷学礼 （山东大学 能源与动力工程学院，济南，250061） （Tel:0531Email: @163.com） ADINA数值方法研究了垂直U形管内气液两相流诱导振动的位移响应和脉动激振力特性，然后考察了雷诺数Re和体积含气率β对激振力的影响规律。结果表明：气液两相流诱导振动以面内振动为主，表现为两相流诱发激振力与管某阶固有频率相近时的共振现象；激振力的特性β时的窄频带随机波动和高β时的周期性β时，激振力的均方根值FRMS随的增大FRMS先随β的增大β=55%左右时达到 关键词：气液两相流；诱导振动；脉动激振力；流固耦合 0 前言 在工业换热设备和输流管道中，气液两相流诱导振动现象总是不可避免的。这些振动会导致剧烈的噪声及换热元件的损坏，严重影响设备的寿命和安全运行[1]，相反，利用流体诱导振动也能实现强化传热的目的[2-4]。因此，为了更好的预防或有效利用振动能量，对气液两相流诱导振动的机理及其影响因素进行研究是非常必要的。 目前，气液两相流诱导振动研究较多的情况是流体横掠管束，Pettigrew、Taylor[5-6]等综述了气液两相流横掠管束的机理及管间距、含气率和雷诺数等因素对诱导振动的影响，卢家才[7]等研究了气液两相流冲刷单根圆柱体时涡街诱导的升力特性。对于管内气液两相流，因其各相密度和速度差异，导致各处流动形态复杂多变，在遇到弯头、异径管、三通等元件时，流体诱导的脉动激振力同样会诱发极大振动。而管内气液两相流又普遍存在于各种U形管换热器如核电站蒸汽发生器和化工输流管道中，所以管内流体诱导振动问题是不可忽视的，但是对其研究的并不多。Yih和Griffith等[8]较早对三通管内气液两相流脉动激振力进行研究，发现频谱图的主频要比管系统固有频率低很多，因此认为两相流不稳定流动引起的激发作用在实际工程中造成的危害不大，没有引起足够的重视。而Riverin等[9]对内径为20.6mm的弯头和三通管进行了实验研究，认为管内气液两相流诱导振动不能忽略，并用韦伯数对作用力均方根值进行了关联，关联式在较宽的几何结构和水力条件下取得较好的一致性。 上述气液两相流诱导振动研究都是采用实验方法，利用数值计算方法的还比较少，因为事实上流体与管结构是高度耦合的，仅仅把流体作用力作为管结构的载荷而忽略管结构对流体的影响将会导致较大的误差，因此需要研究它们之间的流固耦合作用（以下简称FSI），相应的就增加了数值计算的复杂性。而非线性多场耦合软件ADINA可分别建立流体模型和固体模型，并在流固界面实现高度耦合的作用。所以本文选取典型的垂直U型管作为研究对象，尝试采用ADINA对管内气液两相流诱导振动特性进行三维非稳态数值模拟，旨在为管内气液两相流诱导振动的机理的进一步研究提供有益参考。 物理模型及计算条件 1.1 物理模型 物理计算模型如图1所示，为内径20mm，壁厚2mm的垂直U型管。固定管两端A、B，空气和水的混合流体以恒定的平均速度从A端垂直向上流入，然后从B端自由流出，运动流体在内壁面处与管结构产生流固耦合作用。具体结构尺寸见图1，其中C点为脉动激振力的测点；管材及流体物理特性如表1所示，K和E分别指体积模量和弹性模量。表 物理特性 值 (水/kg(m-3 998.2 (空气/kg(m-3 1.2 (水/kg(m-1(s-1 1.004×10-3 (空气/kg(m-1(s-1 1.81×10-5 K水/MPa 2150 K空气/MPa 0.1416 (管/kg(m-3 1400 E管/MPa 3500 泊松比v 0.38 图1 U型管尺寸结构 .2 数学模型及FSI分析条件 流固耦合模型分别建立流体与固体模型，并将流固结合面设为FSI边界条件，下面分别介绍其数学模型及FSI分析条件。 流体动力学方程——不考虑热传递的不可压缩流体可以采用Navier-Stokes方程： （1） （2） （4） （5） 式中，为密度，为速度矢量，为流体体积力矢量，为应力张量，为速度应变张量。 管结构力平衡方程——对整个计算域内，管结构遵循以下力平衡方程： （6） 式中，、和分别是质量