脉动力作用下充液直管动态特性分析

　　管道作为输送流体的绝佳设备，在石油化工、能源动力、市政工程等领域得到广泛的应用。当今工业的快速发展，管道的振动问题越来越引起人们的重视。强烈的管道振动会影响管路的安全，造成管道链接部位出现松动或破裂，轻则造成液体泄漏，重则因管道破裂引起爆炸，导致严重的生产事故[1]。管道振动原因很多，主要涉及两个方面：一是由于动力机械运动机构的动力平衡性差或者基础安装不当而引起管道振动，二是由于输送流体脉动引起管道振动[2]。工程实践表明，在管路中安装柔性连接管或采取减振措施后，管道振动主要由流体脉动产生[3]。由于动力机械如空压机、水泵和液压泵等始端设备做周期性间歇运动，使得管道内流体压力、速度、密度和流量等参数随着时间和位置而变化，形成流体脉动[4]。本文运用Fluent软件分析直管在脉动力影响下直管压力分布，分析脉动压力的特性，采用ANSYSWorkbench软件单向流固耦合模块分析了充液直管的流固耦合振动模态。

　　1 充液直管内流场基本方程

　　管道中流体的流动要受物理守恒定律支配，研究流动的基本守恒定律有：质量守恒定律、能量守恒定律、动量守恒定律[5]。对于流动体，如果其中含有不同成分的混合或者各成分之间有相互作用，这样的系统要遵循组分守恒定律。如果所研究的流动处在湍流状态，系统还应该遵循附加的湍流输运方程[6]。

　　1.1 质量守恒方程

　　在任何的流动问题中都必须满足质量守恒定律。质量守恒定律可以表述为：单位时间内流体微元体重质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。根据这个定律所述，可以推到出质量守恒方程。

　　1.2 动量守恒方程

　　任何的流动都必须满足动量守恒方程，动量守恒方程是流体系统的基本定律。动量守恒定律可以表述为：所选的微元中流体动量对时间的变化率等于所有作用在微元上外界力的合力。动量守恒定律实际上就是牛顿第二定律，按照动量守恒这一定律可以推导出在x、y、z三个方向上的动量守恒方程。

　　式中 ρ为微元流体压力；τxx、τxy、τxz是由于分子具有粘性而作用在微元体表面上粘性应力 τ的各个分量；Fx、Fy、Fz是作用在微元体上的体积力，如果体积力只有重力，并且z轴是竖直向上的，则有Fx=0 、Fy=0 、Fz=-ρg 。

　　1.3 能量守恒方程

　　能量守恒方程是含有热交换流动的系统都必须满足的基本方程。这个方程可以描述为：微元体增加的能量是进入微元体的净热流量加上外力对微元体所做的功。可有下表达式来描述能量守恒方程