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管道运输作为物流输送的一种有效手段在现代工农业生产和人民生活中起着重要的作用,是除公路、铁路、水运和航空以外的第五大运输方式。输液管道系统的振动问题一直是影响管道工作的性能,如安全、机械寿命等的关键因素之一。
输液管道的振动问题之所以能引起学者的兴趣,除了该问题的广泛工业背景和现实意义之外,还因为输液管道涉及流固耦合的大多数问题,并且物理模型简单,系统比较容易实现,因而便于理论与试验研究的相互协同。随着科学技术的不断进步,现代管道结构将朝着长距离、大管径、高流速的方向发展,流固耦合振动问题也将越来越严重。因此,开展这一领域的研究,进一步弄清振动的机理,找出减轻振动的办法有重要的理论意义和实际运用价值。
本文首先采用两种方法(第一种方法和Galerkin法)研究悬臂输液管道的动力学行为,研究发现:输液管道系统的固有频率通常会随管内流体速度的提高而降低,当固有频率降至某个特定值时,就会引起整个系统的颤振失稳。通过对两种方法的比较发现:伽辽金法存在截断误差,可通过截取尽量多的模态来确保精度,但截取的模态数越大,计算量呈指数增长,所以并不能一味追求精度而将模态数取得过大,需要根据实际情况选取适当的模态截断数。
针对输液管道颤振失稳这一问题,设计时滞主动控制策略,目的在于提高输液管道的临界流速。建立输液管道时滞控制数学模型一时滞偏微分方程,采用Galerkin方法将时滞偏微分方程离散为时滞常微分方程组,继而对时滞控制系统进行稳定性分析。研究发现,随着时滞控制系统作动器位置的不同,能提高到的最大临界流速亦不同,当作动器作用在管长中心处,控制效果较好;在固定增益的情况下,绘制出控制系统的时滞—流速稳定区。通过Matlab Biftool软件包模拟控制系统的特征根分布情况,研究发现特征根分布情况与理论分析的稳定性预测结果吻合的相当好,说明理论分析的可靠性。
对时滞控制悬臂输液管道系统进行了数值模拟,这既是对理论分析工作的自然延伸,也是在利用有限差分法进行时滞偏微分方程数值模拟的创新性尝试。数值模拟结果与理论分析预测的结果在绝大多数情况下是一致的或具有相似的趋势。
结果表明简单的时滞控制可以有效提高系统的临界流速,但是时滞也可能导致系统在低流速时发生失稳。
通过对时滞控制策略的改进,利用时滞控制提高临界流速的优点,同时又避免了激起系统低流速失稳,有效地提高了系统的临界流速。