均匀流中悬空管道横向共振的数值分析.pdf

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1、设计计算均匀流中悬空管道横向共振的数值分析戴光，付冰，龙飞飞（大庆石油学院机械科学与工程学院，黑龙江大庆!"##!$）摘要：通过交错网格系统中的%&’()*+算法求解!,"方程，对均匀来流中的静止管道绕流场进行模拟，验证了模型的可靠性；并应用动网格技术对均匀来流中的悬空管道横向共振流场进行了数值模拟，得出管道横向共振时的升力系数、阻力系数随时间的变化曲线，发现相位突变现象加速了管道的破坏，并在数值模拟的基础上得出了管跨避免涡激共振的临界长度。关键词：横向共振管道；升力系数；阻力系数；相位突变；临界长度中图分类号：-./001$；-./0/12文献标识码：3

2、文章编号：!//!,4$#5（2//5）/#,//#!,/4!"#$%&’()*&#")(+&,-,./&0’,"01),23%,"-4(*"05$-4$46&5$7$0,-(-+8%(-09$%0$):&-(;-&.,%#*+%$(#<3=>"(-?，1;@&-?，AB!>1$&,.$&（’6789:;79<%7;6:769:=*:>;:66?;:>+@<<6>6，A9B;:>(6C?@<6DE&:FC;CDC6，A9B;:>!"##!$，+8;:9）3C0+%(’+：-86G;F7@DFH<@I9?@D:=J;J6;FF@

3、9C;@:I;C8%&’()*+9<>@?;C8E;:C86FLFC6E@HFC9>>6?6=>?;=FMNDE6?;79=L:9E;7E6F8，C86FCD=L@HG;F7@DFH<@I9?@D:=9FDFJ6:=6=J;J6?6F@:9:CC?9:FG6?F67@6HH;7;6:CF

4、9?6789:>6=I;C8C;E6M&C;FH@D:=C89CJ89F6789:>69776<6?9C;:>C86H9;C@C8679<7D<9C6=?6FDC8@HFDFOJ6:=6=J;J6<;:69G@;=;:>G@?C6Q;:=D76=?6F@:9:76;FJ?6F6:C6=MD$:2,%40：J;J6<;:6?6F@:9:CC?9:FG6?F67@6HH;7;6:C；J89F6789:>6；7?;C;79<<6:>

5、C8长输管道穿越江河时，由于河床受到冲刷，管引发水下管道疲劳失效的最主要原因之一。其中，线附近的泥沙在环境条件作用下形成局部冲蚀，使管道悬空段横向涡激振动的振幅远大于顺流向涡激管道可能裸露并悬空，形成梁式结构，同时改变了管振动的振幅，即横向涡激振动对疲劳失效的影响远线的受力状态，引起管线断裂和疲劳破坏，带来巨大大于顺流向涡激振动的影响，所以评价和控制水下的经济损失。输油管道悬空段的长度，使其避免发生横向涡激共裸露管道在水流作用下，水动力作用强，水流在振是水下管道疲劳分析的一个重要课题。管道后面形成尾流区，在一定流速时，管道后面旋涡已经有很多文献介绍了绕流流

6、场计算，但是多发放频率可能接近管道的自振频率，从而出现垂直数研究者试验计算的绕流模型都是低雷诺数［!R#］于水流的共振现象，并导致沿水流方向的振动和拖的。本次研究模拟出了水流冲击管道时，高雷曳力的增大，管道两个方向的振动可产生很大的交诺数下随时间变化的卡门旋涡，并模拟分析了管跨变应力，使管道疲劳破坏，管道悬空段的涡激振动是发生共振时的绕流流场。·#!·6,@A均匀流中悬空管道横向共振的数值分析@BC&7D+B0&’’E!"&计算条件!数学模型管道模型的计算条件，悬空管道静止时，直径取’%’"7(，均匀来流速度(’%!()*，运动粘度"%!"!控制方程!9!

7、’#:(&)*，根据雷诺数计算公式)*%(’+"，得’控制方程采用二维不可压粘性流体的原始变量出)*%79!’;，计算流场为矩形区域，见图!。的!#"方程和连续方程，其矢量方程形式如下：均匀来流中的悬空横向振荡产生共振时，计算"!#"""!&"区域的网格划分与静止时相同，计算参数设置如下：$（#·#）#%%##&$##"!$!)*%79!’;"#·#%’,*+’%’"&"-+-%!"’式中#———速度矢量，()**’&)*式中,*———横向振动的振幅，("———运动粘度，("’———管道外径，(%———质量力矢量，+-*———管道振动频率，<=&———压强

8、，,-0-’———静止管道的涡自然脱落频率，<=———水的密度，.