[發明專利]一種管路系統的流固耦合動力學特性預測方法

有效

• 申請號: 201510827491.1
• 申請日: 2015-11-25
• 公開（公告）號: CN105260806B
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發明（設計）人: 李帥軍;姚世衛;李華峰;鄭明明
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七一九研究所
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04
• 代理公司: 北京捷誠信通專利事務所(普通合伙) 11221
• 代理人: 王衛東

本發明涉及流固耦合預測領域，具體涉及一種管路系統的流固耦合動力學特性預測方法，其包括，根據管路系統中每個管路元件的屬性，將管路系統離散為直管元件、彎管元件和管路附件元件三種類型；根據離散后的管路元件的類型，建立各管路元件相應的場傳遞流固耦合矩陣或點傳遞流固耦合矩陣；將離散后的管路系統重新組合為若干傳遞矩陣單元體，且根據所述管路系統預測的管壁彎曲波最小波長或者預測的上限頻率計算傳遞矩陣單元體的最大特征長度；預測管路系統任意位置的流固耦合動力學特性。本發明能夠消除管路系統流固耦合動力學問題數值溢出和預測結果不穩定問題，預測過程簡便，非常有利于編程計算，并且預測精度高。

技術領域

本發明涉及一種管路系統的流固耦合動力學特性預測方法，更具體的，本發明涉及一種用于含有較大場傳遞管路元件的大型復雜管路系統的流固耦合動力學問題預測。

背景技術

大型復雜管路系統廣泛應用于船舶與海洋工程、石油化工、能源與電力工業等諸多領域中，由于管路系統中存在泵、閥門、分支管路等內部激勵以及基礎或鋪板振動等外部激勵，因而會誘發管路結構及管內流體的振動，這些管路結構及流體的振動還會相互耦合而產生流固耦合(FSI)振動，因此這些看似安靜的管路系統在輸送流體的同時，還將振動能量沿管壁和管內流體傳播到管路系統的各個位置，造成管路及與之相連的其他元件和精密儀器的破壞，影響管路系統安全和管路動力系統的正常運行，嚴重時會造成巨大的經濟損失，如何實現管路系統流固耦合動力學特性的快速高精度預測一直是國內外研究的熱點和難點。

目前管路系統的流固耦合動力學特性的預測方法較多，常見的方法有四種：(1)特征線方法(MOC)，MOC是一種時域數值求解方法，適用于簡單管路的時域響應計算，特別是流體壓力波的瞬態響應分析，但MOC需要在時間和空間中離散求解，較為復雜，且很難考慮管道的彈性支撐條件，多段管路計算時還存在插值誤差和不同特征線的相交等問題；(2)有限元法(FEM)，FEM是通過節點、單元構建管道及流體的運動形式，計算效率取決于模型尺寸的大小或分析頻率的高；(3)特征線-有限元法方法(MOC-FEM)，MOC-FEM是通過MOC求解管內流體運動，通過FEM求解管道結構運動，然后根據接觸面的平衡關系實現FSI問題的求解，MOC-FEM為輸流管路動力學問題的求解提供了一個新的途徑，但該方法的求解效率較MOC低得多；(4)傳遞矩陣方法(TMM)，TMM是通過波動方程直接描述管路系統的運動。與其他方法相比，TMM求解過程簡單，易于編程且計算效率高，因而在管路系統結構振動預測，管內流體壓力脈動的傳播特性分析及流固耦合動力學預測等問題中具有較多應用，但是目前此方法尚難以應用于具有較長管路元件的大型管路系統的流固耦合計算中，原因之一是TMM在計算長管路時會出現計算數值溢出和預測結果不穩定的現象。

針對TMM的計算不穩定、積累數值誤差大及數值溢出等“病態問題”，芮筱亭等人在《多體系統傳遞矩陣法及其應用》一書中集中介紹和討論了傳遞矩陣的無量綱化，特征值問題的改進算法以及Riccati傳遞矩陣方法等幾種常見的處理方法(芮筱亭，贠來峰，陸毓琪，何斌，王國平.多體系統傳遞矩陣法及其應用[M].北京：科學出版社，2008)。胡培民通過一個一維數組和兩個變量來存儲一個數據的方法解決了超精度數據的存儲問題(胡培民.傳遞矩陣法在高頻振動分析中的應用[J].振動與沖擊，1996,15(4):50-52.)。Liu和Li(LiuGongmin,Li Yanhua.Vibration analysis of liquid-filled pipelines with elasticconstraints[J].Journal of Sound and Vibration,2011,330(13):3166-3181.)根據管路系統的流固耦合動力學特性，推導得到了12個一元四階常微分方程和2個一元二階常微分方程，進而求解得到了管路系統的頻域解析解，該方法在一定程度上能夠減少由于矩陣變化帶來的計算誤差，上述這些的改進措施，在一定程度上均提高了傳遞矩陣在大型復雜管路系統流固耦合動力學特性預測精度和預測結果的穩定性，但利用這些方法在計算管路系統的流固耦合響應時并無優勢，并且難以實現模塊化編程預測。