輸液管道顫振失穩(wěn)的時滯控制.pdf

1、管道運輸作為物流輸送的一種有效手段在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活中起著重要的作用，是除公路、鐵路、水運和航空以外的第五大運輸方式。輸液管道系統(tǒng)的振動問題一直是影響管道工作的性能，如安全、機械壽命等的關(guān)鍵因素之一。 輸液管道的振動問題之所以能引起學(xué)者的興趣，除了該問題的廣泛工業(yè)背景和現(xiàn)實意義之外，還因為輸液管道涉及流固耦合的大多數(shù)問題，并且物理模型簡單，系統(tǒng)比較容易實現(xiàn)，因而便于理論與試驗研究的相互協(xié)同。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)代管

2、道結(jié)構(gòu)將朝著長距離、大管徑、高流速的方向發(fā)展，流固耦合振動問題也將越來越嚴(yán)重。因此，開展這一領(lǐng)域的研究，進一步弄清振動的機理，找出減輕振動的辦法有重要的理論意義和實際運用價值。 本文首先采用兩種方法(第一種方法和Galerkin法)研究懸臂輸液管道的動力學(xué)行為，研究發(fā)現(xiàn)：輸液管道系統(tǒng)的固有頻率通常會隨管內(nèi)流體速度的提高而降低，當(dāng)固有頻率降至某個特定值時，就會引起整個系統(tǒng)的顫振失穩(wěn)。通過對兩種方法的比較發(fā)現(xiàn)：伽遼金法存在截斷誤差，

3、可通過截取盡量多的模態(tài)來確保精度，但截取的模態(tài)數(shù)越大，計算量呈指數(shù)增長，所以并不能一味追求精度而將模態(tài)數(shù)取得過大，需要根據(jù)實際情況選取適當(dāng)?shù)哪B(tài)截斷數(shù)。 針對輸液管道顫振失穩(wěn)這一問題，設(shè)計時滯主動控制策略，目的在于提高輸液管道的臨界流速。建立輸液管道時滯控制數(shù)學(xué)模型一時滯偏微分方程，采用Galerkin方法將時滯偏微分方程離散為時滯常微分方程組，繼而對時滯控制系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析。研究發(fā)現(xiàn)，隨著時滯控制系統(tǒng)作動器位置的不同，能提高

4、到的最大臨界流速亦不同，當(dāng)作動器作用在管長中心處，控制效果較好；在固定增益的情況下，繪制出控制系統(tǒng)的時滯—流速穩(wěn)定區(qū)。通過Matlab Biftool軟件包模擬控制系統(tǒng)的特征根分布情況，研究發(fā)現(xiàn)特征根分布情況與理論分析的穩(wěn)定性預(yù)測結(jié)果吻合的相當(dāng)好，說明理論分析的可靠性。 對時滯控制懸臂輸液管道系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，這既是對理論分析工作的自然延伸，也是在利用有限差分法進行時滯偏微分方程數(shù)值模擬的創(chuàng)新性嘗試。數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析預(yù)測