一、概述

固体结构件因为受到流体强烈湍流脉动的影响，持续发生受迫的往复位移，称为流致振动。这种现象经常发生于固体件位于流场的强旋涡区、流道截面突变区、边界层分离区等特殊位置，或者固体件本身孤悬于流场当中成为流体绕流的标的物，这些都可能导致周期性的流体压力脉动施加于固体表面，形成稳定振动。

受迫振动的固体件也会反过来影响流体的涡流脉动形态。固体件在无流体环境下，具有多阶的自由振动模态，其中的低阶模态对流致振动的最终模态振型影响较大，而这种最终模态振型的频率与绝对刚性固体壁面条件下的涡流脉动频率是有明显差别的。

以下就以“涡流区细管的流致振动模拟”为实例，简要介绍我司在这方面的技术能力。

二、涡流区细管的流致振动模拟

本案例是一段大尺寸的矩形液体输送管道，由于设备空间所限，中间某个区段有2组水平管道要横穿主管道通过。一组是单根斜45度布置的穿壁大方管，一组是2根上、下布置的穿壁细圆管。具体几何模型见以下两图：

几何模型图

正视、俯视图 

穿壁大方管为低弹性材料且尺寸较大，故其接触流体的壁面按刚性、固定壁面考虑；上、下布置的穿壁细圆管为中等弹性材料，细圆管的两端均为完全“固定”，中间段随流体振动，穿主管道壁面处的振动间隙用柔性材料密封。考虑该区段的复杂情况，该中间区段主管道管壁也采用中等弹性材料，会随流体有一定振动。

主管道液体从左边进入，从右边离开，进口流速保持 5.0m/s不变，出口静压力保持0 Pa不变。模拟结果见以下各图：

某一时刻的液体速度场和细管位置

液体速度场正视图

以上两图，第一图是某时刻纵向截面液体速度场和细管位置的组合显示，可以很清楚的看到大方管两侧的高速涡和大方管背面的低速涡；而第二图是液体速度场部分的正视放大图，可以更清晰的看到这一时刻这2根细管的振动相位。

而下面的动态视频，是上述正视放大图随时间变化的全过程。可见，两根细管处于大方管背面的低速涡区，但是脉动却很强烈；它们随着大方管绕流后涡的脱落，各自作反方向的近圆周型振动；由于它们刚性较小，对流体的跟随性明显，频率基本和湍流大涡的生成频率一致。

<涡流区细管振动-液体流速动态变化>-动态视频

某一时刻的液体压力场和细管位置

某一时刻细管的范式应力

<涡流区细管振动-管应力动态变化>-动态视频

从上面<某一时刻细管的范式应力>图可见，圆管的应力总体上都是两端最高（因为剪力最大），中间段次高，两端和中间段之间的过渡区最低。上面的视频，是表现上图管应力场随时间变化的过程；可见，无论是两端最高应力区段还是中间次高应力区段，高应力区形态总是呈现的两个相对的、斜向扭曲的小半环面，两个小半环面中间过渡区应力逐渐趋向于零，这是典型的杆件受弯状态，一侧小半环面是拉应力为主，另一侧为压应力。而且两个相对小半环面的环向位置，一直随杆件的圆周运动而在改变。

细管上极大应力值-随时间变化曲线

上图是两根圆管上的范式应力极大值随时间变化的过程，振动稳定以后，应力极大值大致在40～100 MPa之间波动，发生位置在圆管的两侧最外端。从图中还可以计算出这种近圆周型振动的频率，大约在4.4 Hz（交错对称相位，两个波峰计一个周期）。

某一时刻细管的位移

<涡流区细管振动-管位移动态变化>-动态视频

从上面<某一时刻细管的位移>图可见，2根细管均为中间位置位移最大，但最大位移值差得比较大；那是因为在平均流体压力下，细管相对于原始位置均有一个初始位移，而两根细管近圆周型振动的方向和相位均不同，所以最大位移值差得较远。

上面的视频，是表现上图的管位移场随时间变化的过程，比前面的两个视频延长了总流动时间和振动次数，且“播放速度”有所加快。可见，2根细管极大位移值出现的时间，总是交错的，振动相位稳定相反。而下图是位移极大值随时间变化的过程，极大值中值约24mm，波动范围16～32mm，振幅约为8mm。

细管上最大位移值-随时间变化曲线