摘 要

高温蒸汽二回路管路系统的作用是将蒸汽供应系统产生的蒸汽送往汽轮机做功，汽轮机带动发电机，将机械能变成电能。因流固耦合作用引起管道振动的问题尤为突出，因此进行“高温蒸汽二回路管路系统管道振动”研究具有一定的理论指导意义和实际工程应用价值。主要研究内容如下：

（1）通过采用Solidworks软件建立了管道三维模型，利用有限元软件ANSYS建立了有限元模型，并充分考虑网格单元的收敛性，以确保振动分析模型的合理性，之后进行模态分析，得到管道有限元模态参数，利用有限元模态对其振动特性进行分析，进而为振动计算奠定了基础。

（2）利用Fluent软件，模拟高温蒸汽管道在给定工况下的内部压力场分布，得到压力脉动规律，确定了管道振动分析的边界条件。然后基于ANSYS平台，采用流固耦合计算方法分析管道不同工况下的振动特性。根据给定工况下的振动响应计算结果探讨弹性支吊架的布置位置；管路弯头半径；波纹管刚度及布置方式等因素对管道振动响应的影响规律，结合实际工程需求，最终提出了较为合适的管路优化设计方案。

关键词：高温蒸汽管路，流固耦合，振动分析，管道优化

Abstract

The function of the high temperature steam secondary circuit pipeline system is to send the steam generated by the steam supply system to the steam turbine for work. The steam turbine drives the generator and turns the mechanical energy into electric energy. The problem of pipeline vibration caused by fluid-solid coupling is particularly prominent. Therefore, the research on pipeline vibration of high temperature steam secondary circuit pipeline system has certain theoretical guiding significance and practical engineering application value. The main research contents are as follows.

（1）The three-dimensional model of pipeline is established by using Solidworks software, the finite element model is established by using ANSYS software, and the convergence of mesh elements is fully considered to ensure the rationality of the vibration analysis model. Then the modal parameters of pipeline are obtained by modal analysis, and the vibration characteristics of pipeline are analyzed by using finite element modal, which lays a foundation for vibration calculation. 。

（2）Fluent software is used to simulate the distribution of internal pressure field of high temperature steam pipeline under given working conditions, obtain the law of pressure fluctuation, and determine the boundary conditions of pipeline vibration analysis. Then, based on ANSYS platform, the fluid-structure coupling calculation method is used to analyze the vibration characteristics of pipelines under different working conditions. According to the calculation results of vibration response under given working conditions, the influence of the location of elastic support and hanger, the radius of pipe elbow, the stiffness and layout of bellows on the vibration response of pipelines is discussed. Based on the actual engineering requirements, a more suitable optimal design scheme of pipelines is put forward.

Key Words：High Temperature Steam Pipeline；Fluid solid coupling；vibration analysis；Pipeline optimization

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国外研究现状 2

1.3国内研究现状 3

1.2研究现状及发展趋势 4

1.3主要研究内容及技术路线 5

1.4 本章小结 6

第2章 理论基础 7

2.1结构模态分析理论 7

2.2结构动力学响应分析理论 9

2.2.1动力学方程的建立 9

2.3 基于流固耦合的管道振动分析理论 12

2.4 本章小结 14

第3章 管道振动响应分析 15

3.1 几何模型的建立 15

3.2 流体有限元模型的建立 15

3.3 管道压力载荷计算 16

3.4结构动力学模型的建立 17

3.5 管道模态分析 17

3.6本章小结 19

第4章 管道系统的优化方案 19

4.1弯头半径对管路振动的影响 19

4.2支吊架位置对管路振动的影响 23

4.3三通阀结构对管路振动的影响 29

4.4波纹管刚度及位置对管路振动的影响 35

4.6 本章小结 39

第5章 结论与展望 41

5.1结论 41

5.2展望 41

参考文献 43

致谢 45

第1章 绪论

1.1研究背景

二回路系统在大型核电厂有着至关重要的的作用，其主要是由饱和蒸汽汽轮机、发电机、冷凝器（凝汽器）、凝结水泵、抵押加热器、除氧器、给水泵、高压加热器、中间汽水分离再热器及相应的仪表、阀门及管道系统组成。其中包括了主蒸汽排放系统、循环冷却水系统、控制保护系统、润滑油系统等辅助系统。其系统图如图1.1

LCV-水位控制阀；H1～H7-第1级至第7级给水加热器；MSR-汽水分离再热器；SG-蒸汽发生器；HP-高压缸；LP-低压缸

图1.1 二回路热力系统图

二回路系统是一个封闭的热循环，可以将供汽系统中产生的蒸汽送至汽轮机。使汽轮机带动发电机，将机械能转化为电能。从安全的角度上看，它可以将反应堆衰变热带走，为系统设计中检测放射性泄漏和隔离泄漏提供了有效手段。

本篇论文是以管道系统作为研究对象。管道系统组成部件主要有主体的管路，有着连接作用的连接件，有控制流量的阀件以及其他附属设备（波纹管或支吊架），在现代工业中最基础的部分。在影响管路振动的因素中，因流固耦合（即流体与固体之间的相互作用，可通过在两者之间的耦合面传递载荷与变形）作用所带来的问题尤为严重。流固耦合不止在管路系统的振动方面有着很严重的影响，而且其中还涉及了多个学科的跨学科应用，比如高层建筑风振动问题、海洋立管工程以及血液流动对血管影响等问题。随着计算机性能与应用技术日益提升和仿真模拟理论的发展及仿真软件种类的丰富，上世纪90年代开始，许多研究学者将研究管道的重心转移到了本身的流固耦合方面。学者们的主要研究的是管路在受到内部流体的激励作用后其本身固体动态性能的变化，以及管路变形对其内部流场分布和流体域动态性能的影响。

目前，在对管道振动研究中，可以通过考虑流固耦合效应对管路影响效应这一最突出的因素来研究管道动态性能，在研究之后根据分析结论为管道的减振方案设计提供相应的理论基础。因此，研究流固耦合效应对管道的动态性能有着相当的理论价值，也会工程实际应用中有很大价值。

1.2国外研究现状

在1950 年的Ashley[1]等根据所设计的梁模型来模拟管道振动， Housner[2]和 Doddos 等也通过应用梁模型进一步研究从而丰富了相关理论。在上世纪中后期，酒井敏之[3]、山田荣[4]、叶山真治[5]、藤川猛等人在此基础上优化了边界条件来分析管道振动问题。Blade、Lewis 和Goodykoonts 又分析了 90 度弯角管道的振动问题，该文章的特色是首次通过采用分析方法计算了流体和管道之间的响应问题，计算结果与实验相应一致。在此之后 Davidson 和 Smith 在优化前者的计算方法基础上添加了传递矩阵的分析方法。加拿大的 Paidoussis 在流体管道系统中，研究了诱发振动因素方面和管道自身稳定性。[7] S.S.Chen在总结相关的研究中他本人及各国学者的主要成果及分析方法上，表明了前者方法的局限性，即在边界条件中尤其是流体动压力作用下，流体管路不一定会呈现出梁模态。因此，梁模型适用于模拟薄壁管的运动是有条件的，例如管道越短管壁越薄，振动时所对应的环向模态数就越大会导致分析结果与实际相差太大。在对上述管道短而管壁薄的结构上，人们开始引入壳单元模型。七十年代初，人们的注意力开始转向部分流体的圆柱型薄壳，这种壳模型虽然在分析精度得到提高，其更适合作为实验对象模拟，但同时在分析上会考虑更多方面的因素。在前人的基础上，各个学者针对各类壳方程应用范围做了分析，其次集中于对模型的简化设计。Matsuzaki 和 Funy 在分析流体管道的问题上提出了Morley方程以此用来分析低阶环向模态，此类分析方法继承了前者精度高的优点，并且使得壳体横截面边界条件更为完备。

虽然在建立梁单元研究流体管道的研究更加深入，但此时为分析所建立的模型与以前的有了偏离，其研究的方向也与早期的工作大相径庭。当分别引用壳单元理论和梁单元理论时，两者所使用的无量纲参数的有着差异，因此在比较两种理论所得的临界速度和频率时候，需要太多带换。Paidoussis便通过建立无量纲流速和频率关系式较为方便的解决上述问题，其方法可以解出两端固定薄壁流体管路在屈曲应力下的临界流速的比较曲线。

早期对流体管道动态分析的方法是在考虑管道中流体的弹性和惯性作用等条件下提出适用于描述管内的非恒定无损流动的一维波动方程。在考虑粘性时就会增加一项与速度成正比的粘性损失项得到一种平均摩擦模型，然而，当管道直径较小，流体粘度较高时，该模型误差较大。直到 1950 年，Iberall 提出的流体管路是第一个完整的高级模型，其包含粘性摩擦和热传导两个因素，这两个因素由于加快流体耗散的影响，可设其为一个常数即管路特性阻抗常数。流体耗散与频率呈一定函数关系，当流体仅考虑线性摩擦时衰减较小，而在流体有着高频分量时衰减会增大很多。Iberall模型相比与其他无损耗管路模型和存在平均摩擦的管路模型上，与实际情况更为符合。因此，对这模型的研究处主流地位，但也存在着计算过程繁琐，结果复杂难以表明的缺点，很难应用于实际中去。

在管道系统噪声方面，美国的 E.E.ALLEN在建立控制阀的管道模型中分析得出引起管道系统振动噪声的因素是控制阀件，这样片面的研究因其模型设计不符合实际就在管道振动噪声上没有太大的参考价值。 Dr.GerhardReethof 等学者通过分析管道内壁压力波动进而推测与阀件噪声的关系，在此基础上对管道内流体的流动状态的不同而产生的噪声进行分析，重点研究了紊流噪声。后对流体的介质是否可压缩的两个条件下分别分析流体进阀的工作过程。加州大学的Dr.S.Bdong 和 Dr.C.Lin以圆形管道为基本模型，模拟声音在其柱状空间内的传播。麻省理工的 Dr.Lyon 在考虑流场中的边界层的影响和管壁及各流层之间的剪切力分析条件下，在因各个流层中（紊流、层流等）因为相互剪切力的影响下振动与流层流速的关系。然而上述研究都是在理想边界条件下，因其局限性的问题而难以解决实际整个管路系统噪声振动的问题。随着分析模型更为具体化、复杂化，在最后引出有限元分析方法，比之传递矩阵法有着更强的适应性，分析管道的模型会更具有普遍性。

1.3国内研究现状

在上世纪70年代，西安交大的管道振动研究组实际考察了工厂企业的管道系统运行状况后，针对管道的振动分析推出了相应的的理论总结、仿真程序和实验结果^[8][9]并在实际中得到了应用。上世纪80年代时，徐家轩^[10]以压缩机内部的简单管道作为研究对象，完善了管道模型的结构，包扩各类阀件、响应缓冲设备、分离器、支吊架等的力学模型。1984 年，党锡淇^[11]根据实验系统阐述了针对管道内部气流脉动所引起振动方面所研究的理论和方法。然而由于其局限性就会耗费过多人力物力（现场勘测）。

哈尔滨工业大学提出了通过充分利用滤波器来达到减振目的。1988 年，曾祥荣^[12][13]利用已有的H型液压消声器，根据其安装位置的不同对所测量的压力脉动消除量的影响。1990 年，他又对消声器的结构进行优化，采用了多孔径同心式，运用了共振的原理减振。同时，赵彤^[14]优化了液压管路模型分布参数的问题。

上世纪80年代，任玉鉴^[15]李培滋^[16]分别对典型的液压管路及泵源做了相应的实验，分析了根据泵源脉动流量不同所造成激振能量的频率区域的不同。1988 年，蒋荀^[17]列出流体管路中的动态参数方程，以此为基础，得出测量其压力波速的频域方法。

浙江大学重点研究了流体传输理论和流固耦合效应。1987 年，盛敬超^[19]以流体传输管道为研究对象用模态方法对管道内的振动在阻抗及本身振动两方面做了分析。1987 年，蔡亦钢^[20]阐述了流体管道动态过程的基本理论和实验方法。1991 年，梁熙^[21]提出了弹性支承安装位置与流体的临界流速的关系，这可以为以后优化提供思路。

为了更好的对高温蒸汽管路系统进行及时的维护与保养，对管路系统更好的减振与消音处理进而使其转为经济效益，必须通过建立高温蒸汽管路系统振动模型对其做模态分析流动分析以及热力场的分析。因此对高温蒸汽二回路管路系统振动特性进行有限元仿真分析是具有一定的理论研究意义和实际工程应用的价值的。

1.4研究现状及发展趋势

在耦合效应的作用下，因流体激励频率与管路产生共振从而对管路造成破坏。流固耦合是分流体域和固体域，所以求解的就是两个场域的方程，流体一般为非定常流动，所以这也是求解中心问题。

国内外对于流固耦合振动的研究集中在简单的直管及弯管单元上，一方面是针对普遍性的圆管，另一方面是针对利用波纹管进行约束，最后一方面是根据所前者所得结论对管道进行优化。其中的分析大多采用有限元法，但大多数研究存在局限性，很少通过整体的管路系统进行分析。且目前国内多采用有限元分析，而少有实验，所以存在仿真验证问题，因此，对流固耦合在管道优化设计的应用有待发掘。

虽然国内外学者针对管道振动问题做了大量研究工作，但是复杂管道振动特性的研究较少，实验研究所耗费太多人力物力，因此合理运用 ANSYS软件中的各个模块对管道进行一系列的分析。探究影响管道振动的因素，以优化管路设计。

1.5主要研究内容及技术路线

本研究以某高温蒸汽二回路管道为研究对象，建立了管道三维几何模型、有限元分析模型，采用有限元数值模拟方法对管道振动及优化设计展开了一系列研究。研究思路如图1.2，下述为具体研究思路：

（1）首先查阅研究了与本篇论文相关的国内外文献资料，简洁扼要的总结了国内外对管道振动特性研究的概况及发展趋势，并简述了研究的背景的意义。

（2）用Solidworks搭建管道三维模型，用有限元软件ANSYS搭建有限元模型，并充分考虑到网格单元的收敛性，使其在振动分析时的模型更为合理，再把模型导入到ANSYS的Model模块中进行模态分析，得到搭建管道的固有频率和振型。

（3）利用Fluent软件，模拟高温蒸汽管道在给定工况下的内部压力场分布，得到压力脉动规律，为进一步管道振动响应分析准备激励载荷。

（4）根据不同工况下Fluent压力脉动计算结果，对管道结构施加压力载荷，利用流固耦合的计算方法对管道不同工况下的振动特性做分析，为下一步优化设计研究提供参考依据。

（5）根据不同工况下振动响应计算结果，探讨管路结构对振动响应的影响规律，结合实际工程需求，最终提出较为合适的管路优化设计方案，为下一步研究提供参考依据。

图1.2 研究路线

1.6 本章小结

本章具体阐述了本篇论文所要研究的相关背景，在总结上述国内外学者在管道振动方面所做的相关研究及这研究领域的发展趋势，写出本篇论文所要研究的意义，并对论文的主要研究内容、研究思路进行了简要介绍。

第2章 理论基础

2.1模态分析理论

模态分析就是以振动理论为基础、针对模态参数的分析方法。模态分析方法可以来确定结构在特定频率范围内的各阶主要振型，通过所确定的振型，可以推测这结构模型在特定频段内来自各个方向的各振源作用下的实际振动响应。

结构的固有频率是结构在自由振动时的振动频率，仅与系统固有特性有关。振型是对于频率的，一个频率对应一个振型，随者频率的由低到高可分第一阶振型、第二阶振型、第三阶振型……固有频率和振型在模态分析中表征了结构的振动特性。这两者的计算即是下述矩阵方程的特征值的求解。所得矩阵方程的特征值与特征向量即是所求的固有频率和振型。

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