空调管路模态分析(干模态、湿模态及单向流固耦合)

空调管路模态分析(干模态、湿模态及单向流固耦合)

1、引言

       空调管路中,特别是吸、排气管及回油管,由于其与压缩机(振动源)直连,在运行过程中振动响应较大,为避免振动过大导致管路开裂、寿命缩短等一系列问题,有必要对管路进行模态分析,避免管路共振频率与压缩机运行频率接近产生共振效应。

       常见的管路模态分析未考虑流体效应(冷媒)对管路结构振动特性的影响,因此,本文利用干模态、湿模态及单向流固耦合三种分析方式,三种情况下的模态结果进行对比研究。

2、空调管路模型仿真前处理

        采用Creo软件建立管路三维模型,如下图所示,模型中已预先建立流体区域,共两个主体。

空调管路模态分析(干模态、湿模态及单向流固耦合)的图1

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空调管路模态分析(干模态、湿模态及单向流固耦合)的图3       将三维模型导入Hypermesh中进行网格划分,当然在这里也可直接导入workbench,利用默认的mesh工具进行网格划分,但是该工具的网格质量无法控制。网格划分是仿真的基础,也是较为重要的一步骤,如何划分高质量网格并非本文重点,不在过多阐述。网格划分效果如下图。

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       结构的约束条件采用两端固定支撑,管路材料属性采用紫铜,冷媒材料属性采用R410冷媒,各材料属性参数如下表所示:

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        网格划分、约束条件、材料属性定义之后,便可开始进行以下各类模态分析计算。workbench具有很好的模块间数据传递功能,本文所涉及的三种模态分析,其数据传递如下。

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3、空调管路干模态分析

     干模态分析,即一般的结构模态分析,不涉及流体效应对模态的影响,由于压缩机频率在20Hz~120Hz左右,因此,可对前10阶模态进行分析,保证模态频率在压缩机频率运行范围之内。干模态在结构振动仿真中较为简单,只需要设置约束条件、材料属性等少部分参数,便可进行计算。干模态计算设置如下:

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4、空调管路湿模态分析

       湿模态分析考虑流体介质对结构模态的影响,即将冷媒对管路模态的影响影视考虑进去,在这里我们需要注意的是冷媒并没有流速,是静止状态的,没有重力影响的,对壁面的压力也为0。

在用Wockbench中Model Acoustics模块进行湿模态分析时,需要将流体与所接触的固体放入一个part中,使其共节点,否则计算会报错。湿模态分析具体设置步骤如下:

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5、空调管路单向流固耦合分析

       利用Fluent对流体在管路中的流动进行分析,计算出流体对管路的作用力,如压力,在将作用力传递到结构分析中的管路内壁上,最后进行模态分析,该过程的后半段相当于预应力模态分析,即将静力分析结果传递到模态分析中去。

       对流体的计算中,采用压力基进行稳态流求解,勾选考虑重力的影响,模型采用k-e模型,材料选用R410a,边界条件设置为压力入口和压力出口,入口压力设置为2.656MPa,出口压力设置为2.502MPa,模型较为简单,收敛较容易,其他设置均默认即可,初始化后便可开始进行计算。Fluent基本设置如下:

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       计算完成后便可得到流体在流动时对管壁的作用力,这里只分析压力作用,其云图如下,可以观察到在入口、管路弯外受流体压力影响较大。

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        流体计算收敛图如下:

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流体分析完后,我们已经得到了流体在流动时对管路的作用力,随后便是将该壁面的作用力传递到结构静力分析中去,将静力分析的结果再传递到模态分析中去进行预应力模态分析,静力分析和预应力模态分析设置如下:

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Imported Load分析设置:

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6、结果对比分析

       将三种情况的结果进行对比分析,分析结果如下,我们可以发现,预应力模态频率最高,这是由于流体在流动时对管路的压力提高了管路的刚度,而湿模态对管路没有左右用,只是在发生振动时起到阻尼作用,导致管路模态频率下降,干模态则介于这两者之间,同时还发现,除了第8阶预应力模态外,其他预应力模态比干模态高出5~10Hz左右,而第8阶次模态则高出许多,说明在通常情况下,干模态分析并不能完全预测在流体作用下实际结构的模态频率,为准确预测,则需要考虑流体流动甚至重力作用下对结构的影响。(本文重点分析模态频率,暂不进行振型分析)

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7、参考文献

[1]白静峰.空调系统的流固耦合振动及其控制研究.2017.河北工业大学,MA thesis.

最后的最后,有不足之处欢迎指出,咱们一起探讨、一起进步。

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