邱亞東 王尊策 李翠艷 范雯洋

(1. 東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2. 渤海石油裝備巨龍鋼管有限公司；3. 大慶石油第二采油廠)

流固耦合效應(yīng)下水力旋流器變徑圓管振動(dòng)特性研究*

邱亞東**1王尊策1李翠艷2范雯洋3

(1. 東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2. 渤海石油裝備巨龍鋼管有限公司；3. 大慶石油第二采油廠)

應(yīng)用流固耦合理論，采用雙向耦合隱式算法研究在無(wú)支撐和有支撐兩種情況下外部激振對(duì)水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響。研究結(jié)果表明，罐體入口在小錐段前1/4區(qū)域垂直范圍內(nèi)時(shí)，能夠抑制管體振動(dòng)幅度，分別為無(wú)支撐時(shí)使管體最大位移量較無(wú)沖擊時(shí)減小2.5%和有支撐時(shí)使管體最大位移量較無(wú)沖擊時(shí)減小13.1%；在小錐段與尾管段交匯處添加支撐可以有效抑制管體振動(dòng)幅度達(dá)90%以上。

水力旋流器 流固耦合 振動(dòng)特性

隨著我國(guó)各主力油田進(jìn)入中、高含水開采階段，油田生產(chǎn)污水的處理已成為重大難題之一。水力旋流器在油田采出液分離和含油污水處理方面具有其他分離設(shè)備不可替代的作用。作為一種分離設(shè)備，人們希望在連續(xù)工作中獲得較高的分離效率，而高的分離效率需要有一個(gè)穩(wěn)定、合理的流場(chǎng)分布，但設(shè)備在運(yùn)行過程中，由于其工作方式往往為多個(gè)管體并聯(lián)的形式，這樣單個(gè)管體就會(huì)受到內(nèi)部和外界的雙重干擾影響，致使其產(chǎn)生各種微小的振動(dòng)，從而使流經(jīng)設(shè)備的流場(chǎng)產(chǎn)生振蕩，而振蕩流又進(jìn)一步作用于設(shè)備，使設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)。已有研究表明，這種流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)的相互作用會(huì)對(duì)水力旋流器的分離效率產(chǎn)生影響[1]，這也使得控制和利用流體與結(jié)構(gòu)設(shè)備之間的相互作用逐漸成為眾多學(xué)者關(guān)注和研究的課題[2～5]。

由于水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)工作環(huán)境的特殊性，使得其工作狀態(tài)下的振動(dòng)特性很難通過試驗(yàn)的方法獲得。筆者通過數(shù)值模擬的方法，對(duì)水力旋流器進(jìn)行了流固耦合仿真模擬，得到了水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的振動(dòng)特性，為水力旋流器的合理安裝和使用提供了依據(jù)。

1 水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算模型

水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)振源分布如圖1所示。待處理混合液經(jīng)由罐體入口進(jìn)入罐內(nèi)，成為外部來(lái)流，沖擊旋流器管體產(chǎn)生渦激力，后經(jīng)由旋流器入口進(jìn)入旋流腔形成強(qiáng)旋流對(duì)管體產(chǎn)生自激力，同時(shí)產(chǎn)生分離作用，使得輕相介質(zhì)(油)經(jīng)由溢流口排出，重相介質(zhì)(水)經(jīng)由底流口排出。筆者采用經(jīng)典雙錐結(jié)構(gòu)，考慮流固耦合效應(yīng)的影響，以變徑圓管結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)其在無(wú)支撐和有支撐兩種情況下的振動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。

圖1 水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)振源分布

1.1管體結(jié)構(gòu)的有限單元法

水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)為實(shí)體單元，單元內(nèi)的位移函數(shù)關(guān)系式可表示為：

{f}=[N]{δ}e

(1)

式中 {f}——單元內(nèi)任一點(diǎn)在坐標(biāo)方向的位移列向量；

[N]——形函數(shù)矩陣；

{δ}e——單元內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)位移分量的列向量。

管體結(jié)構(gòu)的位移函數(shù)建立后，利用彈性力學(xué)幾何方程、彈性力學(xué)物理方程和虛功原理，建立單元的節(jié)點(diǎn)力和位移關(guān)系式，即建立水力旋流器管體的平衡方程：

{F}e=[k]{δ}e

(2)

(3)

式中 {F}e——單元各節(jié)點(diǎn)所有節(jié)點(diǎn)力分量組成的節(jié)點(diǎn)力列向量；

[k]——單元?jiǎng)偠染仃嚒?/p>

1.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程

在對(duì)水力旋流器進(jìn)行流固耦合分析時(shí)，需要考慮結(jié)構(gòu)在內(nèi)力和外力共同作用下的振動(dòng)情況，才能更好地確定結(jié)構(gòu)隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)對(duì)流體流動(dòng)的影響，結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

(4)

式中 [C]——阻尼矩陣；

{Ff}——流體對(duì)結(jié)構(gòu)的載荷；

{Fo}——外界隨時(shí)間變化的載荷；

[M]——質(zhì)量矩陣；

2 建模及模擬參數(shù)設(shè)置

模擬基于Workbench平臺(tái)，采用雙向耦合隱式算法進(jìn)行模擬分析。模擬分析的對(duì)象為水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)，旋流腔直徑56mm、長(zhǎng)56mm，大錐錐角20°，大錐小徑14mm，小錐錐角1.5°，小錐小徑7mm，尾管長(zhǎng)度500mm，額定處理量4m3/h，管體材料為不銹鋼347，壁厚3mm，支撐方式為兩端固定。內(nèi)部流體為含油5%的油水混合液，分流比為5%，截面標(biāo)號(hào)和區(qū)域劃分如圖2所示。其中，A～H為擬沖擊區(qū)域，截面1～10為位移測(cè)點(diǎn)標(biāo)號(hào)。

圖2 截面標(biāo)號(hào)和區(qū)域劃分

考慮水力旋流器在工作時(shí)其主要激振來(lái)源為內(nèi)部流體和外部沖擊的相互作用，筆者重點(diǎn)研究?jī)?nèi)流穩(wěn)定時(shí)外部沖擊對(duì)其振動(dòng)特性的影響規(guī)律，而外部沖擊對(duì)管體的影響以渦激振動(dòng)的形式體現(xiàn)出來(lái)。根據(jù)渦激振動(dòng)理論，取用斯托哈爾數(shù)St=0.2，升力系數(shù)Cl=0.65，忽略曳力對(duì)管體的影響。計(jì)算得到4m3/h額定流量時(shí)沖擊A～H各區(qū)域時(shí)，升力的頻率和大小見表1。

表1 各區(qū)域升力的頻率和大小

3 無(wú)支撐時(shí)的模擬結(jié)果

根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)模擬方案，模擬管體分別在無(wú)外部沖擊和沖擊A～H區(qū)域時(shí)的模態(tài)，分析對(duì)比見表2。

表2 無(wú)支撐前三階頻率 Hz

由表2數(shù)據(jù)可以看出，相較無(wú)外部沖擊，當(dāng)沖擊區(qū)域?yàn)镈時(shí)，對(duì)管體本身的頻率影響最大；當(dāng)沖擊區(qū)域?yàn)镃時(shí)，對(duì)管體本身的頻率影響最小，幾乎沒有影響。分析原因在于沖擊在D區(qū)域時(shí)，外激力頻率與自激力頻率產(chǎn)生疊加，造成頻率降低；而沖擊在C區(qū)域時(shí)，外激力頻率與自激力的頻率相互抵消，使得外激力的頻率抵消，從而使得管體的振動(dòng)頻率表現(xiàn)為與無(wú)外激力時(shí)相同。同時(shí)，提取無(wú)外部沖擊和沖擊A～H區(qū)域時(shí)管體的最大位移量并進(jìn)行對(duì)比(圖3)。

圖3 無(wú)支撐沖擊A～H區(qū)域管體位移量

由圖3可以看出，當(dāng)沖擊區(qū)域?yàn)镈時(shí)，管體的最大位移量達(dá)到最大值1.300 0mm，相比無(wú)外部沖擊時(shí)的位移量1.010 0mm增加了28.7%；同時(shí)，當(dāng)沖擊區(qū)域?yàn)锳時(shí)，管體的最大位移量為最小值0.985 0mm，相比無(wú)外部沖擊時(shí)的減小了2.5%。對(duì)比圖2可知最大位移點(diǎn)為截面6的位置，即小錐段與尾管的交匯處，并且在整個(gè)模擬的過程中，最大位移點(diǎn)的位置基本沒有發(fā)生改變。

4 有支撐時(shí)的模擬結(jié)果

支撐作為一種有效的減振手段，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中。因此，筆者選取了5個(gè)截面分別添加支撐，以選出最佳支撐位置，并對(duì)無(wú)支撐和支撐時(shí)各截面各管段的最大位移量進(jìn)行了對(duì)比(圖4)。

圖4 無(wú)支撐和有支撐時(shí)各截面各管段最大位移量

由圖4可以看出，當(dāng)支撐在截面5、6時(shí)，管體的最大位移量明顯減小。綜合考慮各項(xiàng)因素，選取截面6(即無(wú)支撐時(shí)的最大位移截面)作為支撐截面。同時(shí)，由于支撐的約束作用，管體被分為兩個(gè)部分，即雙錐段和尾管段。支撐的添加對(duì)大錐段的變形幾乎沒有影響，但對(duì)小錐段和尾管段影響較大。其中，當(dāng)支撐在截面6時(shí)，可使小錐段最大位移量較無(wú)支撐時(shí)減小92.3%，使尾管段最大位移量較無(wú)支撐時(shí)減小97.7%。

以在截面6添加支撐為基礎(chǔ)，對(duì)添加約束后的管體進(jìn)行模態(tài)分析，并分別提取了兩段管體在無(wú)外部沖擊和沖擊A～H區(qū)域的振動(dòng)頻率(表3、4)。

表3 支撐截面6無(wú)外部沖擊和有沖擊時(shí)A～H區(qū)域雙錐段前三階頻率 Hz

表4 支撐截面6無(wú)外部沖擊和有沖擊時(shí)A～H區(qū)域尾管段前三階頻率 Hz

由表3、4可以看出，添加固定支撐后尾管段和雙錐段已經(jīng)成為兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，相互之間沒有影響，即沖擊A～D區(qū)域時(shí)尾管段沒有變化，沖擊E～H區(qū)域時(shí)雙錐段沒有變化。對(duì)于雙錐段而言，當(dāng)沖擊區(qū)域?yàn)锽時(shí)，對(duì)管體本身的頻率影響最大；而對(duì)于尾管段而言，當(dāng)沖擊區(qū)域?yàn)镚時(shí)，對(duì)管體本身的頻率影響最大；同時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沖擊區(qū)域?yàn)镃時(shí)管體本身的頻率依然基本沒有變化。

基于添加支撐后兩部分管體的獨(dú)立性，分別提取支撐截面6沖擊A～D區(qū)域大錐段、小錐段和尾管段的最大位移，如圖5所示。

圖5 支撐截面6沖擊A～D 區(qū)域不同位置的位移量

由圖5可以看出，沖擊對(duì)大椎段的變形幾乎沒有影響，但對(duì)小錐段和尾管段影響明顯。其中，當(dāng)沖擊區(qū)域?yàn)锽時(shí)，小錐段達(dá)到最大位移量0.103 0mm，相比無(wú)外部沖擊時(shí)的位移量0.077 6mm增加32.7%；當(dāng)沖擊區(qū)域?yàn)镚時(shí)，尾管段達(dá)到最大位移量0.043 5mm，相比無(wú)外部沖擊時(shí)的位移量0.023 0mm增加了89.1%；同時(shí)，當(dāng)沖擊區(qū)域?yàn)锳時(shí)，小錐段達(dá)到最小位移量0.067 4mm，相比無(wú)外部沖擊時(shí)的減小13.1%。各段最大位移點(diǎn)分別為截面1、4、8處，即大錐與旋流腔交匯處、小錐段的中間位置和尾管段的中間位置，同樣在整個(gè)優(yōu)化模擬過程中，最大位移點(diǎn)的位置基本沒有改變。

5 結(jié)論

5.1無(wú)支撐時(shí)，外部沖擊對(duì)管體最大位移點(diǎn)的位置基本沒有影響，均在截面6處。在截面6處添加支撐后，可使小錐段和尾管段的最大位移量較無(wú)支撐時(shí)分別減小92.3%和97.7%。

5.2沖擊A區(qū)域時(shí)，能夠輕微地抑制小錐段的振動(dòng)幅度，分別為無(wú)支撐情況下較無(wú)外部沖擊時(shí)減小2.5%和支撐截面6情況下較無(wú)外部沖擊時(shí)減小13.1%。

5.3無(wú)支撐時(shí)，沖擊D區(qū)域能夠有效地降低管體的振動(dòng)頻率，但相應(yīng)的會(huì)使最大位移量較無(wú)外部沖擊時(shí)增加28.7%；支撐截面6時(shí)，沖擊B區(qū)域能夠有效地降低雙錐段的振動(dòng)頻率，但相應(yīng)的會(huì)使小錐段最大位移量較無(wú)外部沖擊時(shí)增加32.7%；支撐截面6時(shí)，沖擊G區(qū)域能夠有效地降低尾管段的振動(dòng)頻率，但相應(yīng)的會(huì)使尾管段最大位移量較無(wú)外部沖擊時(shí)增加89.1%。

5.4罐體入口在無(wú)共振影響條件下應(yīng)設(shè)計(jì)在A區(qū)域垂直范圍內(nèi)，即小錐段靠近大椎段的1/4 區(qū)域內(nèi)。并且合理添加支撐能夠有效抑制水力旋流器的振動(dòng)幅度，支撐位置為截面6，即小錐段與尾管段交匯處。

[1] 李森.復(fù)合式水力旋流器振動(dòng)特性及分離特性研究[D].大慶：大慶石油學(xué)院，2006.

[2] 王琳，匡友弟，黃玉盈，等.輸液管振動(dòng)與穩(wěn)定性研究的新進(jìn)展：從宏觀尺度到微納米尺度[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2010， 31(5)：481～495.

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StudyonVibrationCharacteristicsofHydrocycloneReducingPipeBasedonFluid-SolidCoupling

QIU Ya-dong1, WANG Zun-ce1, LI Cui-yan2, FAN Wen-yang3

(1.CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.JulongSteelPipeCo.,Ltd.,CNPCBohaiEquipmentManufacturingCo.,Cangzhou062658,China; 3.No.2OilProductionPlant,CNPCDaqingOilfieldCo.,Daqing163712,China)

Adopting the fluid-solid coupling theory and the double-way implicit algorithm to investigate the external excitation’s influence on the vibration performance of hydrocyclone’s reducing tube with or without the support was implemented. The results show that, when the tank entrance stays at a quarter-area before the vertical place of the small cone section, the vibration amplitude of tube body can be inhibited, and in the condition of without the support, the biggest displacement compared to that without the shock can be decreased by 2.5% or 13.1% for that with the support; adding a support to the junction of the small cone section and the tail section can greatly decrease the vibration amplitude of tube by more than 90 percent.

hydrocyclone, fluid-solid coupling, vibration performance

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11172061，11402051)，黑龍江省教育廳項(xiàng)目資助項(xiàng)目(ky120444)。

**邱亞東，男，1987年10月生，碩士研究生。黑龍江省大慶市，163318。

TQ051.8

A

0254-6094(2015)02-0240-05

2014-12-02，

2015-03-10)