流体诱发管道振动的机理及相应的研究方法概述

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　　流体诱发的振动作为专门的学术研究领域，从形成、发展到逐渐成熟迄今已有近50年的历史。它的发展还得益于对飞机机翼的颤动以及悬索桥与烟囱的流振研究后所建立的基础。自二十世纪60年代到70年代，对单相流体沿横向与轴向绕流管束时诱发的管道振动与声振动的研究，已取得相当大的进展。1977年契诺韦士(Chenoweth)发表的技术报告对此有全面的介绍与总结。我国则是从二十世纪80年代中期开始进行流体振动方面的研究，在振动机理、振动特性、防振措施等方面都作了许多工作。

　　流体诱发管道振动的机理

　　管中单相或两相流体无论是沿管道的轴向还是横向流过管束时，由流体流动产生的动态力作用在管道上，都将导致管道振动。至于管道振动的机理，目前比较一致的观点是以下四种：

　　1. 旋涡脱落激振(Vorticity Shedding Excitation)
　　这种振动起因于从管道表面上周期性脱落的旋涡所产生的周期性的流体力。如果旋涡脱落频率与管道的固有频率一致，管道便会发生共振。处于横向流中的单根圆管，从管道表面上脱落的周期性的旋涡，即通常所称的卡门旋涡。某种周期性脱落的旋涡使管道存在共振，特别是在液流或高密度的气流中，周期性的作用力相当大，因而管道的振幅也比较大。两相流体横向流过管束，只有在体积含气率小于15%时才会发生周期性的旋涡脱落激振。

　　2. 湍流抖振(Turbulent Buffeting)
　　有时也称湍流激振(Tubulent Excitation)。湍流抖振是指在节径比小于1.5 的密排管束中，由于没有足够的空间，故难以发生卡门漩涡的脱落。但流体的极度紊流也会诱发管道的振动。紊流漩涡使管道受到随机的波动的作用力。而且紊流有一个相当宽的频带，当频带中的某一频率与管道任一振型的自振频率接近或相等时，便会导致大幅度的管道振动。由于其引起的振动很不规律而且带有随机性，故一般认为紊流不是引起管道振动的最主要原因，而是引起流体弹性激振的主要原因。

　　3. 流体弹性不稳定性(Fluidelastic Instability)
　　也称流体弹性激振(Fluidelastic Excitation)。流体弹性不稳定性是动态的流体力与管道的运动相互作用的结果。当流体速度较高时，流体给予管道的能量大于管道的阻尼所消耗的能量。在流体力作用下，管道将产生大振幅的振动，很短时间内便遭到破坏。无论是气体、液体、还是两相流体当其流过管束时，最常见到的与最具有破坏性的就是流体弹性不稳定性。因此它也是最重要的激振机理。

　　4. 声共振(Acoustic Resonance)
　　气流横向流过管束时，当周期性的旋涡脱落频率与管程的声驻波频率一致时，流场与声场耦联且相互加强，便会出现声共振的现象。在一般情况下，只产生强烈的噪声，对管道不会造成多大损害。但若旋涡脱落频率同时与声频以及管道的固有频率合拍，则管道很快遭到破坏。

　　相应的研究方法

　　1. 旋涡脱落激振：旋涡型流体振动流量计
　　旋涡型流体振动流量计是利用流体在特定流道条件下流动时产生的旋涡振荡，而且其振荡频率与流速成比例这种规律来测量流量的流量计。基于旋涡流体振荡原理的流量计主要有两种：涡街流量计和旋进旋涡流量计。这类的流量计兼有无运动部件，脉冲数字输出，计量不受被测流体性质影响，测量准确度较高，量程比宽，无零点漂移，压力损失小，便于安装维护等优点，是测量气体，液体，蒸汽，混合型和腐蚀性流体的理想的流量计。以流场仿真技术和实验流体力学的相结合的方法，系统地研究旋涡型流体振动流量计的流体振动特性。

　　2. 湍流抖振：数值模拟
　　对某一高速泵系统的诱导轮叶片在实际运行时出现裂纹断裂现象，利用三维Navier-Stokes方程和RNG湍流模型，并在转动部件与静止部件间采用滑移网格技术建立交互界面，对高速泵内多级动静干扰引起的三维非定常湍流进行计算，得到诱导轮内部流体压力脉动的主要特征。在各静止与旋转部件间利用滑移网格技术引入交互界面，将运动的网格与静止的网格有机地联系起来。滑动网格模型可使在交界面两侧的网格相互滑动，而不要求交界面两侧的网格结点相互重合。

　　3. 流体弹性不稳定性：实验与模拟相结合
　　根据适宜有限元模型，采用流固耦合的计算方法模拟管束流体弹性不稳定性的发生过程，以及固有频率对临界流速的影响。根据国内外的研究现状，设计并建立一套研究流体诱导管束振动的实验装置，实验研究管束流体弹性不稳定性的产生过程和振动规律。并将有限元模拟计算结果与实验结果进行对比研究。

　　4. 声共振：试验方法
　　声共振的必要条件是声驻波的频率必须与激振频率一致。但这并非是充分条件。因为即使满足了这一条件，仍然有可能不发生声共振。所以还要满足第二个条件，即要求系统有足够高的激振能量克服声阻尼。

　　声共振设计步骤：
　　第一步：收集数据，包括管道外径d，节径比T/d与L/d，管道排列形式，直径D，通过管束的压力降ΔP，管程气体的声速C与实际声速Ce，管间隙处的流速V等。
　　第二步：计算声频fa。
　　第三步：计算旋涡脱落频率fs。
　　第四步：计算共振时的声压级。
　　第五步：必要的防振措施。

　　本文根据豆丁网《流体振动》一文整理编辑而成，作者不详