[发明专利]一种管路系统的流固耦合动力学特性预测方法

说明书

本发明涉及流固耦合预测领域，具体涉及一种管路系统的流固耦合动力学特性预测方法，其包括，根据管路系统中每个管路元件的属性，将管路系统离散为直管元件、弯管元件和管路附件元件三种类型；根据离散后的管路元件的类型，建立各管路元件相应的场传递流固耦合矩阵或点传递流固耦合矩阵；将离散后的管路系统重新组合为若干传递矩阵单元体，且根据所述管路系统预测的管壁弯曲波最小波长或者预测的上限频率计算传递矩阵单元体的最大特征长度；预测管路系统任意位置的流固耦合动力学特性。本发明能够消除管路系统流固耦合动力学问题数值溢出和预测结果不稳定问题，预测过程简便，非常有利于编程计算，并且预测精度高。

技术领域

本发明涉及一种管路系统的流固耦合动力学特性预测方法，更具体的，本发明涉及一种用于含有较大场传递管路元件的大型复杂管路系统的流固耦合动力学问题预测。

背景技术

大型复杂管路系统广泛应用于船舶与海洋工程、石油化工、能源与电力工业等诸多领域中，由于管路系统中存在泵、阀门、分支管路等内部激励以及基础或铺板振动等外部激励，因而会诱发管路结构及管内流体的振动，这些管路结构及流体的振动还会相互耦合而产生流固耦合(FSI)振动，因此这些看似安静的管路系统在输送流体的同时，还将振动能量沿管壁和管内流体传播到管路系统的各个位置，造成管路及与之相连的其他元件和精密仪器的破坏，影响管路系统安全和管路动力系统的正常运行，严重时会造成巨大的经济损失，如何实现管路系统流固耦合动力学特性的快速高精度预测一直是国内外研究的热点和难点。

目前管路系统的流固耦合动力学特性的预测方法较多，常见的方法有四种：(1)特征线方法(MOC)，MOC是一种时域数值求解方法，适用于简单管路的时域响应计算，特别是流体压力波的瞬态响应分析，但MOC需要在时间和空间中离散求解，较为复杂，且很难考虑管道的弹性支撑条件，多段管路计算时还存在插值误差和不同特征线的相交等问题；(2)有限元法(FEM)，FEM是通过节点、单元构建管道及流体的运动形式，计算效率取决于模型尺寸的大小或分析频率的高；(3)特征线-有限元法方法(MOC-FEM)，MOC-FEM是通过MOC求解管内流体运动，通过FEM求解管道结构运动，然后根据接触面的平衡关系实现FSI问题的求解，MOC-FEM为输流管路动力学问题的求解提供了一个新的途径，但该方法的求解效率较MOC低得多；(4)传递矩阵方法(TMM)，TMM是通过波动方程直接描述管路系统的运动。与其他方法相比，TMM求解过程简单，易于编程且计算效率高，因而在管路系统结构振动预测，管内流体压力脉动的传播特性分析及流固耦合动力学预测等问题中具有较多应用，但是目前此方法尚难以应用于具有较长管路元件的大型管路系统的流固耦合计算中，原因之一是TMM在计算长管路时会出现计算数值溢出和预测结果不稳定的现象。

针对TMM的计算不稳定、积累数值误差大及数值溢出等“病态问题”，芮筱亭等人在《多体系统传递矩阵法及其应用》一书中集中介绍和讨论了传递矩阵的无量纲化，特征值问题的改进算法以及Riccati传递矩阵方法等几种常见的处理方法(芮筱亭，贠来峰，陆毓琪，何斌，王国平.多体系统传递矩阵法及其应用[M].北京：科学出版社，2008)。胡培民通过一个一维数组和两个变量来存储一个数据的方法解决了超精度数据的存储问题(胡培民.传递矩阵法在高频振动分析中的应用[J].振动与冲击，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.)根据管路系统的流固耦合动力学特性，推导得到了12个一元四阶常微分方程和2个一元二阶常微分方程，进而求解得到了管路系统的频域解析解，该方法在一定程度上能够减少由于矩阵变化带来的计算误差，上述这些的改进措施，在一定程度上均提高了传递矩阵在大型复杂管路系统流固耦合动力学特性预测精度和预测结果的稳定性，但利用这些方法在计算管路系统的流固耦合响应时并无优势，并且难以实现模块化编程预测。