程景揚 李真興

摘要：本文根據(jù)連通管的基本原理，基于結構動力學理論，考慮彎管布置方式對測量精度的影響。受管道布置時高差影響，連通管可能存在彎曲布置方式?；贏NSYS-FLOTRAN有限元計算結果和實測結果的對比分析表明，彎曲布置方式對測量結果影響較小，僅對距上端彎頭1.5m范圍內壓力分布有影響。實際應用中，避開該影響范圍基本可滿足實際測量精度需要。研究結果對于提高橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)撓度測量精度，準確評估橋梁結構工作性能，具有重要的意義。

關鍵詞：連通管；橋梁；健康監(jiān)測；彎曲布置；橋梁撓度

中圖分類號：TU973文獻標識碼：A

壓力場橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測橋梁結構的變形，連通管必然要嵌于橋梁結構上；根據(jù)系統(tǒng)結構的布置特點，布置在橋梁結構上的連通管與遠離基岸的基準水箱相連，而基準水桶與布置在橋頭的連通管存在數(shù)米的高差；當外面環(huán)境對兩者的直線連接存在干擾或者克服連通管與基準水箱高差時，連通管就不可避免的存在連續(xù)的彎曲布置。當水流流經彎頭時，由于離心慣性力的作用，外壁壓力升高，內壁壓力降低;外壁處的流速相應地較小，內壁處的流速則較大。這樣，靠近外壁產生擴散效應，內壁則產生收斂效應。又由于離心慣性力的作用，水流在彎管中力圖向外壁方向流動，因此加強了水流對內壁的脫離，在內壁附近形成渦流區(qū)，并作三維擴散，致使有效斷面減小。此外，由于離心慣性力和邊界層的作用，彎管中還會產生二次流，與主流相疊加形成螺旋流，并且在很長的距離上極緩慢地消失。彎管的阻力系數(shù)不僅與雷諾數(shù)有關，而且與彎管的幾何參數(shù)(如彎角、曲率半徑、進出口面積比等)有關。彎管本身段的損失僅是損失的一部分，應計入其后變勻段的能量損失。彎管內壓力降低在徑向最大，曲率半徑小的彎管尤為突出[1]；當壓力變送器布置在彎管紊流的影響范圍內，勢必對壓力場橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度造成影響。因此，開展對壓力場橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)的彎曲管道紊流影響范圍的研究，避免該因素的影響，對提高壓力場橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度是很有意義的。

1 ANSYS-FLOTRAN彎曲管道紊流分析基本原理

根據(jù)流體動力學的基本原理[2] ， Boussinesq假設（鮑辛涅斯克假設—流體的密度跟壓強和溫度有關，在低速流動中，流體壓強變化不大，主要是由于溫度的變化引起密度變化，因此忽略壓強變化引起的密度變化，只考慮溫度變化引起的密度變化）為：

（1-1）

上式各物理量均為時均值（為方便起見，此后，除脈動值是時均值外，其他時均值的符號均予以略去）。稱為紊流粘性系數(shù)，是脈動速度所造成的壓力，定義為：

（1-2）

為單位質量的紊動能，

這樣，在直角坐標系下雷諾時均方程的具體表達式如下：

（1-3）

上式中、、、為矩陣，其中：

（1-4）

式中，是流體的密度；是包括紊動能和離心力的折算壓力，即：，為轉動任一點角速度，為任一點相對于轉動軸線的半徑；為等效粘性系數(shù)，等于分子粘性系數(shù)和Boussinesq渦粘性系數(shù)之和，即。

計算紊流流動的關鍵就在于如何確定，最常用的是雙方程模型。

方程：

（1-5）

方程：

（1-6）

式中，，，上述兩方程中系數(shù)，，，，的取值為=1.44，=1.92，=0.09，=1.0，=1.3。

2彎曲連通管紊流壓力場模型試驗

２.1彎曲連通管

橋梁結構受到外界激勵的形式一般可以分為兩類，沖擊激勵和連續(xù)激勵。沖擊激勵可以分解為正階躍和負階躍過程，比如橋梁路面不平有障礙物，當有重車經過時會對梁體產生沖擊，造成梁體突然產生一個階躍下沉量，車經過后梁體又恢復變形。連續(xù)激勵如風載、車輛正常行駛等對梁體的激勵。由于壓力場橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)的連通管嵌于橋梁內部，勢必也會隨著橋梁振動，連通管內流體也會發(fā)生流動，由于壓力場橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)中存在連通管彎曲布置，流體流經彎曲管道產生的紊流會在流體前進方向上的很長的距離上極緩慢地消失。當監(jiān)測系統(tǒng)中壓力變送器布置在此范圍內，必然會對該系統(tǒng)的測量精度產生影響[3,4]。

試驗設計一懸臂管道結構，并布置連續(xù)彎曲管道，以初位移激勵懸臂管道振動，以此引起管道內液體流動，模擬壓力連通管橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)的彎曲管道內的流體流動，并測量距離下端彎頭0.5m，上端彎頭0.5m，1.0m，1.5m處的壓力變化，試驗結果為彎曲連通管紊流壓力場的有限元模型計算提供實測的進口壓力，并通過對比各測點的實測值與計算值，進而分析誤差產生來源。

２.2試驗驗證

布置如圖2-1試驗裝置；試驗系統(tǒng)由基準水桶、連通管、引壓管組成。連通管采用直徑為0.05m的硬質塑料管，而在系統(tǒng)的一端連接是的硬質塑料桶，為保證液位在試驗過程中不發(fā)生變化，硬質塑料桶的內徑為0.35m，兩者截面面積的比值為49，可認為基準桶液位在試驗過程中不變化。試驗彎管分為上端直線段、兩彎曲段、過渡段和下端直線段三部分,下端直線段長度取為；中間過渡段長度取為由于紊流在彎曲段末端仍有較大的橫比降,在上端直線段持續(xù)較長的距離才能完全消失,為保證出口是充分發(fā)展的紊流,取上端直線段。為了模擬橋梁的振動狀態(tài)，試驗系統(tǒng)采用了懸臂的硬質塑料管，并在初值位移的激勵下產生間諧運動。

圖2-1 試驗系統(tǒng)示意及布置圖

Fig.2-1 The system layout schematic

試驗方法：以初位移（3cm）激勵懸臂梁懸臂端振動，采用羅斯蒙特3051CD型差壓變送器作為試驗的測量儀器，設置量程為0-0.12KPa，精度為0.284%，誤差為0.341Pa。壓力變送器分別測量1#（距離下端彎頭0.5m）、2#（距離上端彎頭0.5m）、3#（距離上端彎頭1.0m）、4#（距離上端彎頭1.5m）測點；為保證每個工況之間不產生相互影響，故在每個工況完成10min后再進行下一工況。

試驗結果如圖2-2~2-5：

圖2-2 1#測點壓力時程曲線圖2-3 2#測點壓力時程曲線

Fig 2-2 The pressure variation of 1# measuring point Fig 2-3 The pressure variation of 2# measuring point

圖2-4 3#測點壓力時程曲線 圖2-5 4#測點壓力時程曲線

Fig 2-4 The pressure variation of 3# measuring pointFig 2-5 The pressure variation of 4# measuring point

距離上端彎頭分別為0.5m（2#）、1.0m(3#)、1.5m(4#)壓力測點的壓力變化最大值分別為1.675Pa、0.575Pa、-0.06Pa，如下圖2-6所示。

表2-1 實測最大壓力變化

Table 2-1 The measured maximum pressure change

圖2-6 各測點壓力變化最大值

Figure 2-6 The maximum pressure change

由上圖可以看出，2#測點到4#測點由于流體流經彎曲圓管的壓力變化最大值衰減明顯，4#測點壓力變化最大值為-0.06Pa，可認為4#測點不受由于彎曲圓管引起的紊流對壓力測量的影響。

3計算模型驗證

模型的基本參數(shù)：連續(xù)900?彎管圓形截面的直徑為0.05cm,上端彎曲段內側壁面的曲率半徑為,外側壁面的曲率半徑為,則彎管的半徑比為,其中是曲率的平均半徑。計算區(qū)域內彎管分為上端直線段、兩彎曲段、過渡段和下端直線段三部分,下端直線段長度取為；中間過渡段長度取為，為保證出口是充分發(fā)展的紊流,取上端直線段。對上述計算區(qū)域進行網格劃分,彎曲段劃分細密一些,直線段劃分稀疏一些;劃分計算網格約1126個,計算節(jié)點約1247個，有限元模型見圖3-1。

圖3-1 網格劃分

Fig3-1 Meshing

選用FLUID141單元作二維分析。分析時假定進口壓力均勻，模型采用1#壓力測點的實測壓力值為模型的進口壓力，為。在所有壁面上施加無滑移邊界條件（即所有速度分量都為零）；假定流體不可壓縮，并且其性質為恒值。此情況下，壓力就可只考慮相對值，故在出口處施加的壓力邊界條件是相對壓力為零。

流體的介質為水，密度為，運動粘度；迭代次數(shù)為300次。

圖3-2 彎曲管道壓力分布圖

Fig3-2 Pressure distribution of the curved pipe

由上圖分析結果可得，流體流經彎曲圓管后1.382m處的壓力變化為0.354Pa，可認為該點處由于流體流經彎曲圓管引起的壓力不發(fā)生改變。

4 結論

本文主要探討了由于流體流經彎曲管道產生的壓力分布不均對液壓連通管測量精度的影響：

（1）闡述了有限元分析軟件ANSYS-FLOTRAN紊流分析的基本原理。

（2）建立了流體流經連續(xù)彎曲圓管引起的壓力分布不均的試驗模型，分別測量距離下端彎頭0.5m、上端彎頭0.5m、1.0m、1.5m的壓力變化，結果分別為1.675Pa、0.575Pa、-0.06Pa。

（3）以距離下端彎頭0.5m的實測壓力變化最大值10.675Pa為有限元模型的進口壓力，建立了ANSYS-FLOTRAN有限元模型，對實測值與計算值進行了對比，并通過對有限元模型進行分析，得出壓力變化的影響范圍為距上端彎頭1.382m，因此，在系統(tǒng)壓力變送器的實際布置中，應避免該因素對壓力場橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)精度的影響。

參考文獻：

[1] 郭曹虹.彎管阻力損失的理論及實驗研究[D].上海：華東理工大學,2012.

[2] 李心銘,流體動力學[M].北京：高等教育出版社.1996.

[3] 張曉東,泄洪洞高速水流三維數(shù)值模擬[D].北京：中國水利水電科學研究院水力學所,2004.

[4] 張土喬,尹則高,毛根海.彎曲圓形管道紊流的數(shù)值模擬[J].水力發(fā)電學報2005, 24(3):61-65.

作者簡介：程景揚（1987-），男，碩士研究生