徐 艷, 張彥月, 徐德奎, 袁 粼, 李 森, 王尊策

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶 163318; 2.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院,黑龍江大慶 163453)

振動(dòng)條件下旋流分離器內(nèi)螺旋流的流固耦合研究

徐 艷1, 張彥月1, 徐德奎2, 袁 粼1, 李 森1, 王尊策1

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶 163318; 2.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院,黑龍江大慶 163453)

旋流分離器工作時(shí)受到外部流體的影響會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),從而影響內(nèi)部流場(chǎng)分布規(guī)律。為研究振動(dòng)條件下旋流分離器內(nèi)螺旋流的流固耦合作用,建立振動(dòng)條件下旋流分離器的雙向流固耦合模型,對(duì)同種激振頻率下不同激振力的流固耦合作用進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明:螺旋流場(chǎng)隨著結(jié)構(gòu)一起運(yùn)動(dòng),而結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)引起了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的偏移;周期振動(dòng)下的流場(chǎng)徑向速度變大,并隨激振力的增大而增加;周期性激振力影響了切向速度的對(duì)稱性,并使軸向速度近軸區(qū)域速度變大;不同截面的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡呈“O”型,振動(dòng)形態(tài)呈拋物線狀。

旋流分離器; 流固耦合; 周期振動(dòng); 螺旋流場(chǎng)

旋流分離器作為分離設(shè)備廣泛應(yīng)用于石油石化領(lǐng)域,在其實(shí)際工作時(shí),常將多根并聯(lián)在一個(gè)大的罐體中共同工作,以提高其處理能力。來流從罐體入口流入,流經(jīng)旋流器,在其外壁形成圓柱繞流,進(jìn)而產(chǎn)生渦激振動(dòng)。設(shè)備的振動(dòng)引起內(nèi)部螺旋流場(chǎng)產(chǎn)生振蕩,而振蕩又進(jìn)一步作用于設(shè)備,產(chǎn)生流固耦合作用。近年來流固耦合的研究主要集中在分域耦合的順序或同步迭代耦合上。Hirt等[1]提出了ALE描述法,實(shí)現(xiàn)了固體力學(xué)中Lagrange描述格式和流體力學(xué)中Euler描述格式的統(tǒng)一。周岱等[2]在壓力Poisson方程中引入質(zhì)量源項(xiàng),發(fā)展了一種基于ALE描述有限元法的弱耦合分區(qū)算法。Wulf 等[3]模擬流固耦合問題時(shí),研究了流體流動(dòng)和網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)耦合的影響。Jaiman等[4]利用有限體積法求解流體域,有限元法求解結(jié)構(gòu)域,在流體-結(jié)構(gòu)界面處采用不匹配網(wǎng)格劃分,提出了結(jié)合界面邊界條件法補(bǔ)償弱耦合過程中時(shí)間滯后問題。He 等[5]基于 ALE 有限元方法求解了多種鈍體流固耦合問題,詳細(xì)分析了系統(tǒng)物理參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)和流場(chǎng)特征的影響。馮志鵬等[6]基于有限體積法和有限元法,結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格控制技術(shù),計(jì)算了流體力與結(jié)構(gòu)位移間的相位關(guān)系。裴吉等[7-8]采用雙向同步求解的方法研究了葉輪流固耦合作用對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)的影響。胥鋒[9]通過ANSYS Workbench平臺(tái)進(jìn)行流固耦合仿真,得到了泵腔內(nèi)流體的流動(dòng)形態(tài)和流速分布情況。譚越等[10]基于單向流固耦合分析技術(shù),計(jì)算得到了渦輪結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布情況。王維忠等[11]利用FLUENT軟件對(duì)斜管組油水分離裝置內(nèi)的流場(chǎng)分布進(jìn)行模擬,結(jié)合Workbench流固耦合技術(shù)計(jì)算了流體作用下裝置的變形和應(yīng)力分布。謝超[12]運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)氣液兩相流典型管段進(jìn)行模態(tài)分析和動(dòng)力學(xué)計(jì)算,提出一些兩相流管道減振設(shè)計(jì)措施。邱亞東等[13]采用雙向耦合隱式算法,研究了無支撐和有支撐情況下水力旋流器的振動(dòng)特性。李森等[14]對(duì)水力旋流器在自激振動(dòng)條件下的耦合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。目前國內(nèi)外學(xué)者研究了流固耦合對(duì)圓管內(nèi)外流場(chǎng)和葉輪結(jié)構(gòu)可靠性的影響,但對(duì)周期振動(dòng)旋流分離器變徑圓管內(nèi)螺旋流場(chǎng)的流固耦合研究及振動(dòng)周期內(nèi)不同相位的流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)變化規(guī)律研究比較少。筆者建立振動(dòng)條件下旋流分離器內(nèi)螺旋流的流固耦合模型,研究周期性振動(dòng)對(duì)旋流分離器內(nèi)螺旋流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)變形及時(shí)程響應(yīng)的影響規(guī)律。

1 計(jì)算建模和算法

1.1 流場(chǎng)計(jì)算模型與算法

1.1.1 流體域控制方程

質(zhì)量守恒方程:

(1)

式中,ρ為流體密度,kg/m3;uj為速度在坐標(biāo)方向的分量,其中j=1,2,3。

動(dòng)量守恒方程:

(2)

采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)對(duì)控制方程進(jìn)行封閉。

1.1.2 幾何模型和算法

流體域選用主直徑D=28mm的雙錐水力旋流器,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。入口深度、寬度和長(zhǎng)度分別為:a=0.68D,b=0.7D,c=2.56D,溢流嘴直徑Du=0.28D,底流直徑Dd=0.5D,旋流腔長(zhǎng)度h1=D,大椎段長(zhǎng)度h2=1.42D,小錐段長(zhǎng)度h3=9.55D,尾管長(zhǎng)度h4=10.18D,大椎角α=20°,小錐角θ=1.5°。流體介質(zhì)為水,入口為速度入口,底流和溢流為自由出流,設(shè)定分流比為5%,非耦合情況為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),耦合情況為耦合界面。采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散,SIMPLEC算法對(duì)壓力和速度進(jìn)行耦合,PRESTO方法對(duì)壓力項(xiàng)進(jìn)行離散。動(dòng)量方程的離散采用具有三階精度的QUICK格式,湍動(dòng)能和耗散率的采用二階迎風(fēng)格式,雷諾應(yīng)力采用一階迎風(fēng)格式[15]。

圖1 旋流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram for hydrocyclone geometry

1.1.3 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性計(jì)算

采用ICEM16.0進(jìn)行網(wǎng)格劃分,流體域的網(wǎng)格見圖2。為在滿足計(jì)算精度的條件下減少計(jì)算時(shí)間,根據(jù)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性分析。對(duì)各部分逐漸加密,如表1所示。

對(duì)4種網(wǎng)格分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解,取各自收斂時(shí)的速度進(jìn)行比較。S3截面處的無量綱切向速度如圖3(圖中，Utan和Uin分別為切向和入口速度，m/s;r為徑向距離，m;R為該截面管段半徑，m)所示。

由圖3可以看出,隨著網(wǎng)格數(shù)增加,最大切向速度逐漸增大,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為600 972時(shí),與網(wǎng)格數(shù)為800 295時(shí)的誤差為1.2%,故選用數(shù)量為600 927的網(wǎng)格進(jìn)行模擬。

圖2 流體域網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshed hydrocyclone geometry in fluid domain

Dh1h2h3h4網(wǎng)格數(shù)量收斂步數(shù)242222131130300105433630252313313245236453193429251351446009726219363328144149800295>7500

圖3 不同網(wǎng)格S3截面的切向速度Fig.3 Tangential velocity profiles with different grid on S3 section

1.2 固體域計(jì)算方法

利用有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散,結(jié)構(gòu)在內(nèi)部流體和外部激振力共同作用下振動(dòng),變徑圓管的運(yùn)動(dòng)方程可表示為

(3)

結(jié)構(gòu)單元為solid186,結(jié)構(gòu)兩端為固定端約束,采用Newmark時(shí)間積分求解瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方程。

1.3 流固耦合算法

采用Ansys Workbench16.0建立 Fluent+Transient structural流固耦合模型,運(yùn)用交錯(cuò)迭代式耦合求解的計(jì)算方法,進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬。流體域和固體域的控制方程在界面處滿足位移協(xié)調(diào)和力平衡條件。對(duì)結(jié)構(gòu)施加正弦周期性激振力,同時(shí)流體將壁面上的壓力載荷傳遞給結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)根據(jù)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程求解激振力和流體載荷共同作用下的變形,再將位移傳遞給流體;采用ALE方法動(dòng)網(wǎng)格方法處理耦合界面邊界的運(yùn)動(dòng),動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)用Smoothing、Layering和Remeshing方法進(jìn)行重構(gòu),設(shè)定彈簧彈性系數(shù)為0.6,耦合面的網(wǎng)格高度為3 mm;流體采用新的邊界條件計(jì)算流場(chǎng),并得到新的沿壁面的壓力分布,實(shí)現(xiàn)流固耦合計(jì)算。

1.4 計(jì)算方法驗(yàn)證

為證明本文模擬方法的可靠性,使用比利時(shí)LMS公司24通道SCADAS Mobile數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)旋流分離器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試,在外流體形成繞流的S4截面,通過掃頻信號(hào)源控制激振器的激振力和激振頻率,對(duì)結(jié)構(gòu)沿著Y軸方向施加正弦周期性激振力。應(yīng)用PCB公司ICP型加速度壓電式傳感器,采用LMS Test. Lab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,取5次測(cè)量的平均結(jié)果,得到了振動(dòng)耦合效應(yīng)下旋流分離器軸向各點(diǎn)加速度,試驗(yàn)裝置見圖4。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)采用不銹鋼347,模擬參數(shù)與試驗(yàn)一致,具體參數(shù)見表2。

圖4 旋流器振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)實(shí)物照片F(xiàn)ig.4 Picture of vibration test experiment with hydrocyclone

材料密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比激振頻率/Hz激振力/N處理量/(m3·h-1)入口速度/(m·s-1)不銹鋼34779101900.317.522.21022451.511.89有機(jī)玻璃118030.3472020/50/10031.13

處理量為4 m3/h和5 m3/h時(shí),旋流器軸向8個(gè)測(cè)點(diǎn)最大加速度的實(shí)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出,模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好,故本文中選用的流固耦合模型較為可靠。

圖5 不同處理量時(shí)的實(shí)測(cè)和模擬結(jié)果Fig.5 Results between measure and simulation at different flow rate

2 計(jì)算結(jié)果及對(duì)比分析

設(shè)定流體處理量為3 m3/h,激振方向?yàn)閅軸,激振位置為S4,具體參數(shù)見表2。振動(dòng)周期為0.05 s,時(shí)間步長(zhǎng)為0.006 25 s,觀察2 s后流動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)下,一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)流場(chǎng)以及結(jié)構(gòu)的變化情況。t1～t9分別對(duì)應(yīng)從2～2.05 s,時(shí)間間隔為0.006 25 s的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。激振力作用下結(jié)構(gòu)的最大變形在S6截面,故選S6截面分析,結(jié)構(gòu)沿Y軸方向的位移變化見圖6。從圖6中可以看出,不同激振力下位移均呈周期性變化,正負(fù)向位移的周期對(duì)稱性很好,但相位有所變化,隨著激振力增大,位移量增大,周期有滯后的趨勢(shì)。

圖6 S6截面一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的位移變化Fig.6 Displacement in one vibrational period on S6 section

2.1 50N激振力下不同截面位置的速度對(duì)比

對(duì)激振力為50 N時(shí)進(jìn)行分析,對(duì)比了t3時(shí)刻Y軸方向的無量綱瞬時(shí)速度,如圖7所示。由圖7可以看出,瞬時(shí)速度從壁面處隨半徑的減小而增加,存在最大速度點(diǎn),之后隨半徑的減小而減小。各截面瞬時(shí)速度軸心發(fā)生了偏移,S6截面偏移量最大,偏移量與結(jié)構(gòu)位移一致,此時(shí)速度的不對(duì)稱性也最明顯。這表明螺旋流場(chǎng)不僅隨著結(jié)構(gòu)一起運(yùn)動(dòng),而且結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)引起了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的偏移。S6截面流場(chǎng)速度軸心偏移最大,故選取此截面進(jìn)一步分析。

圖7 t3時(shí)刻不同截面的瞬時(shí)速度Fig.7 Instantaneous velocity of different section on time t3

2.2 一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的速度分析

2.2.1Y軸方向速度分布

激振力為50N時(shí),一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)S6截面Y軸方向軸向速度、徑向速度和切向速度見圖8。

不同時(shí)刻S6截面軸向速度最大值基本相同,但其軸心沿Y軸正負(fù)向擺動(dòng)。軸向速度整體對(duì)稱性較好,但在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)t2和t4時(shí)刻,t1和t5時(shí)刻,t6和t8時(shí)刻的速度不完全重合,t1和t9時(shí)刻速度完全重合,說明流體振動(dòng)的周期與施加激振力的周期一致,但在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)存在一定的相位偏差。

不同時(shí)刻S6截面徑向速度數(shù)值較小,受到周期性激振力的影響波動(dòng)明顯。傳統(tǒng)旋流器徑向速度為流體從邊壁向中心運(yùn)移,而激振力作用直接改變了徑向速度的分布,使得徑向速度運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)相似,但由于流體的耦合作用使速度值不同。在軸心位置出現(xiàn)了不對(duì)稱現(xiàn)象,這是由于軸向速度和切向速度變化引起的。

不同時(shí)刻S6截面切向速度變化規(guī)律與軸向速度相似,切向速度渦心隨結(jié)構(gòu)的振動(dòng)沿Y軸正負(fù)向擺動(dòng)。但從t2～t4和t6～t8時(shí)刻切向速度出現(xiàn)了不對(duì)稱現(xiàn)象,此時(shí)徑向速度也存在不對(duì)稱現(xiàn)象。

2.2.2 X軸方向速度分布

激振力為50N時(shí),一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)S6截面X軸方向軸向速度、徑向速度和切向速度見圖9。

不同時(shí)刻S6截面X軸方向的軸向速度基本無偏移,說明激振力沒有直接影響X軸方向的軸向速度分布,但近軸區(qū)域軸向速度,t2時(shí)刻向下流動(dòng)趨勢(shì)增加。這是因?yàn)?此時(shí)結(jié)構(gòu)向Y軸正方向偏移,軸向拉長(zhǎng),向下流動(dòng)的液量增加,軸向速度增大。t3時(shí)刻向下流動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)一步增加,達(dá)到近軸區(qū)的最大值。t5時(shí)刻回到平衡位置與t1時(shí)刻重合。

不同時(shí)刻S6截面X軸方向的徑向速度變化程度較大,比Y軸方向的徑向速度大1個(gè)數(shù)量級(jí),尤其在軸心位置達(dá)到峰值,說明此處流體發(fā)生了較為劇烈的徑向運(yùn)移,這種移動(dòng)在t2～t4和t6～t8時(shí)刻最為顯著。這是因?yàn)?振動(dòng)使得流體向下流動(dòng)的趨勢(shì)增大,加快流體向中心運(yùn)移,使徑向速度增大。

不同時(shí)刻X軸方向的切向速度軸心位置未發(fā)生明顯變化,但切向速度數(shù)值發(fā)生了明顯變化,且不對(duì)稱性最為顯著,t1、t5和t9時(shí)刻流場(chǎng)的切向速度在單側(cè)達(dá)到最大值。t3和t7時(shí)刻在單側(cè)達(dá)到最小值。這是由于X軸切向速度與結(jié)構(gòu)Y軸運(yùn)動(dòng)方向平行,當(dāng)X軸切向速度與結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí),形成加速,反之減速,引起了切向速度在平衡位置的不對(duì)稱。

圖9 50 N激振力下S6截面X軸方向速度Fig.9 Velocity along X axial direction at 50 N strength on S6 section

2.3 不同激振力下流場(chǎng)速度對(duì)比

2.3.1 Y軸方向速度分布

t1時(shí)刻不同激振力下S6截面Y軸方向軸向速度、徑向速度和切向速度對(duì)比如圖10所示。

不同激振力下S6截面Y軸方向的軸向速度最大值基本相同。軸向速度整體有所偏移,近軸區(qū)域耦合流場(chǎng)軸向速度小于非耦合流場(chǎng)。隨著激振力的增加,向Y軸負(fù)方向偏移量增大,流體向下運(yùn)移量增加,軸向速度增大。

不同激振力下S6截面Y軸方向的徑向速度受不同激振力的影響較明顯,非耦合流場(chǎng)徑向速度向軸心移動(dòng),速度較小,激振力耦合流場(chǎng),徑向速度整個(gè)截面隨著結(jié)構(gòu)的同向運(yùn)動(dòng),隨激振力增大,徑向速度逐漸增加。

不同激振力下對(duì)S6截面Y軸切向速度數(shù)值和分布沒有太大的影響,整體也發(fā)生了偏移,偏移方向與軸向速度基本一致,且對(duì)稱性變差,流場(chǎng)發(fā)生了一定程度的擺動(dòng),隨著激振力的增大,不對(duì)稱性更為顯著。

圖10 不同激振力下S6截面Y軸方向速度對(duì)比Fig.10 Velocity along Y axial direction at different strength on S6 section

2.3.2 X軸方向速度分布

t1時(shí)刻不同激振力下S6截面X軸方向軸向速度、徑向速度和切向速度對(duì)比如圖11所示。

不同激振力下S6截面的X軸方向的軸向速度最大值基本相同,軸向速度未發(fā)生擺動(dòng),3種激振力下外渦流區(qū)軸向速度基本重合,只是內(nèi)渦流區(qū)速度隨著激振力的增大逐漸增大,說明激振力增大使流場(chǎng)向下流動(dòng)的趨勢(shì)增加。

不同激振力下S6截面X軸方向的徑向速度受不同激振力的變化較為明顯,隨激振力的增大而增加。切向速度受不同激振力影響較大。周期性激振力越大,不對(duì)稱性越明顯。

2.4 結(jié)構(gòu)的時(shí)程響應(yīng)

圖12為1 s內(nèi)不同激振力下S6截面Y方向的加速度時(shí)程曲線。由圖12中可以看出,在振動(dòng)初期時(shí)程曲線有所波動(dòng),這是由于結(jié)構(gòu)激振方向?yàn)閅軸方向,而流場(chǎng)入口方向?yàn)閄軸方向,振動(dòng)初期時(shí)流場(chǎng)運(yùn)行尚未穩(wěn)定,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在Y軸方向發(fā)生波動(dòng)。1 s時(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)穩(wěn)定。

2.5 結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡

為了更直觀地展示不同激振力下旋流分離器的振動(dòng)情況,取計(jì)算穩(wěn)定后的1～2 s時(shí)間內(nèi)進(jìn)行分析,S2、S4、S6和S8截面的運(yùn)動(dòng)軌跡見圖13。所截取時(shí)間段內(nèi)的多個(gè)振動(dòng)周期的運(yùn)動(dòng)軌跡基本重合。結(jié)構(gòu)在Y軸方向受周期性激振作用,變形明顯。流場(chǎng)的耦合作用使X軸方向發(fā)生微小變形,結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡呈不規(guī)則的“O”型。

圖13 旋流分離器不同高度軌跡及立體軌跡Fig.13 Motion tracks with different section of hydrocyclone

2.6 結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)

圖14為t1～t9時(shí)刻旋流分離器X軸方向和Y軸方向的振動(dòng)形態(tài)圖。

圖14 旋流分離器的振動(dòng)形態(tài)圖Fig.14 Vibration shape of hydrocyclone

旋流分離器的振動(dòng)形態(tài)為拋物線狀,不同高度位置的振動(dòng)基本是同步的。旋流分離器Y軸方向的振動(dòng)主要由激振力引起,振動(dòng)規(guī)律基本與激振力方向一致,在平衡位置擺動(dòng)較小,振幅最大時(shí)擺動(dòng)幅度最大。旋流分離器X軸方向的振動(dòng)主要由流體的沖擊力而產(chǎn)生,振動(dòng)對(duì)X軸方向的徑向速度產(chǎn)生了較大變化,使得平衡位置時(shí)擺動(dòng)幅度最大,而振幅最大時(shí)擺動(dòng)幅度最小。

3 結(jié) 論

(1)流體振動(dòng)的周期與激振力一致,但在振動(dòng)周期內(nèi)存在相位偏差。Y軸方向軸向速度和切向速度沿正負(fù)向擺動(dòng),徑向速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律與結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似,但速度值不同。X軸方向近軸區(qū)域的軸向速度和徑向速度增大,切向速度受到擾動(dòng),不對(duì)稱性明顯。激振力的作用使流場(chǎng)發(fā)生了變化,3個(gè)方向速度互相影響。

(2)不同激振力對(duì)軸向速度影響較小,徑向速度影響最大,隨激振力的增大而明顯增大。X軸方向的切向速度隨激振力增大不對(duì)稱擺動(dòng)幅度增大。

(3)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡呈不規(guī)則的“O”型。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)為拋物線狀,Y軸方向的擺動(dòng)遠(yuǎn)大于X軸方向。Y軸方向上,旋流分離器平衡位置時(shí),結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)幅度最小,振幅最大時(shí)結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)幅度最大,X軸方向與之相反。

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(編輯 沈玉英)

Study on fluid-structure interaction in hydrocyclone under vibration

XU Yan1, ZHANG Yanyue1, XU Dekui2, YUAN Lin1, LI Sen1, WANG Zunce1

(1.MechanicalScientificandEngineeringinCollegeofNortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.OilProductionEngineeringResearchInstituteofDaqingOilfieldCompanyLimited,Daqing163453,China)

The hydrocyclone is affected by the external fluid and can produce vibration, resulting to the changing the distribution of internal flows. To study the fluid-solid coupling effect of spiral flow in hydrocyclones under the condition of vibration, the two-directional fluid-structure coupling model with the same vibration frequency is established, where the fluid-structure coupling effect of different exciting forces is simulated.The results show that the spiral flow field moves together with the structure, and the motion of the structure causes the migration of the flow field.The radial velocity of the flow field in the periodic vibration becomes larger, and increases with the increase of the exciting force. The periodic exciting force affects the symmetry of the tangential velocity, and makes the axial velocity near the axial become larger. The trajectory of different cross sections of the structure takes the "O" type, and the vibration shape is parabolic.

variable diameter circular tube; fluid-structure interaction; periodic exciting force; spiral flow field

2016-12-20

國家青年科學(xué)基金項(xiàng)目(11402051)；黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目(QC2016003)

徐艷(1978-)，女，副教授，博士，研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械及工程。E-mail：zhfxuyan@163.com。

王尊策(1962-)，男，教授，博士，研究方向?yàn)槭褪黧w設(shè)備內(nèi)流特性。E-mail：wangzc@nepu.edu.cn。

1673-5005(2017)04-0140-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.04.018

TQ 051.8

A

徐艷,張彥月,徐德奎,等.振動(dòng)條件下旋流分離器內(nèi)螺旋流的流固耦合研究[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017,41(4):140-147.

XU Yan, ZHANG Yanyue, XU Dekui, et al. Study on fluid-structure interaction in hydrocyclone under vibration [J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2017,41(4):140-147.

f the tangential velocity, and makes the axial velocity near the axial become larger. The trajectory of different cross sections of the structure takes the "O" type, and the vibration shape is parabolic.

variable diameter circular tube; fluid-structure interaction; periodic exciting force; spiral flow field

2016-12-20

國家青年科學(xué)基金項(xiàng)目(11402051)；黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目(QC2016003)

徐艷(1978-)，女，副教授，博士，研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械及工程。E-mail：zhfxuyan@163.com。

王尊策(1962-)，男，教授，博士，研究方向?yàn)槭褪黧w設(shè)備內(nèi)流特性。E-mail：wangzc@nepu.edu.cn。

1673-5005(2017)04-0140-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.04.018

TQ 051.8

A

徐艷,張彥月,徐德奎,等.振動(dòng)條件下旋流分離器內(nèi)螺旋流的流固耦合研究[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017,41(4):140-147.

XU Yan, ZHANG Yanyue, XU Dekui, et al. Study on fluid-structure interaction in hydrocyclone under vibration [J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2017,41(4):140-147.