《流固耦合作用對水電站高壓管道振動影響的研究》是依託昆明理工大學，由蘇志敏擔任項目負責人的地區科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：流固耦合作用對水電站高壓管道振動影響的研究
- 項目類別：地區科學基金項目
- 項目負責人：蘇志敏
- 依託單位：昆明理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
水擊是水電站高壓管道過渡流過程中一個非常典型和重要的形式，液體的壓力脈動和管壁的結構振動，彼此耦合後不僅產生振動和噪聲污染，其巨大水擊壓強及強烈的耦合振動也給管道系統帶來了巨大的安全隱患，水擊基本理論及耦合動態特性的研究對實際的壓力管道系統有著特別重要的意義。本項目主要基於現有的水擊理論及其耦合理論，針對水擊計算模型進行進一步的分析和改進，提出用於計算耦合水擊的基本連續性方程，並導出相應的擬線性振動方程組。同時，本項目針對改進的耦合振動數學模型，研究耦合振動的時域回響計算方法，進行模態分析，並研究水擊接合部耦合、泊松耦合、摩擦耦合、管道壁厚、結構阻尼及管材等因素對壓力管道振動回響的影響，綜合以上研究與現有耦合水擊理論成果及相關實驗進行對比分析，驗證改進的數學模型的正確性與可靠性。本項目的研究旨在完善水擊理論，為水電站設計及高壓管流中水擊耦合振動計算提供相對合理的理論基礎。
結題摘要
本項目為2016年1月1日至2019年12月31日地區科學基金課題，針對水電站弱約束壓力管道系統的情況和動力行為進行研究，內容包括：一維水擊基本理論及流固耦合（FSI）擴展理論的改進嘗試，以及它們的計算方法和計算實現；FSI對管道系統水擊暫態過程的影響；管道尺寸、材料、約束等各種因素對管道系統動力特性的影響；驗證改進水擊模型的合理性和正確性。研究所得重要結果如下：（1）在不考慮FSI效應的一維水擊計算理論中，由拉格朗日物質坐標描述下推導出的流體微元體方程（含流速水頭）、壓縮性狀態方程和管壁徑向變位相容方程構建出的4方程改進水擊模型，與經典2方程模型相比，特徵線法的計算結果顯示，閥門處壓力峰值差別不大，但衰減過程迅速，更符合實際情況。（2）考慮軸向壓力和應力耦合波速推導的連續方程與常用一維軸向振動方程的其它式子一起構建的4方程改進模型理論上更為合理，方程的特徵值計算結果與常用方程的計算結果基本一致，反映的耦合程度更為強烈一點。（3）帶岔管的水電站實際工程壓力明管三維FSI水擊計算和模態分析結果表明，管道長徑比超過100時，壓力峰值的流固耦合效應超過10%。閥門關閉終了後，壓力大幅衰減，快速穩定。閥門的關閉時長對壓力峰值的影響是非線性的，流速的影響是線性的，支墩間距的影響不是十分明顯。時域回響的頻譜分析表明，水錘激勵不會產生明顯的共振現象。流固耦合對岔管的自振頻率影響明顯，不宜忽略，分岔角度為60°時的自振頻率最大，進口流速變化對結構動力回響影響顯著。水的存在、管壁厚度、管道約束對管道系統固有特性影響明顯，流速影響很小，計算格線的疏密影響體現在高階頻率上。幾乎不存在流固耦合高階共振影響，管道設計時只需避開系統一階自振頻率。疲勞噪音分析表明，激勵頻率為系統低價頻率和可聞聲低價頻率時造成的影響更大，更有研究價值。（4）帶伸縮節的簡易水擊模型試驗結果表明，水擊壓力振盪和管道振動在閥門關閉終了後快速消失，壓力峰值比經典水擊理論的計算值小得多。
