空調管路模態分析（干模態、濕模態及單向流固耦合）

1、引言

       空調管路中，特別是吸、排氣管及回油管，由于其與壓縮機（振動源）直連，在運行過程中振動響應較大，為避免振動過大導致管路開裂、壽命縮短等一系列問題，有必要對管路進行模態分析，避免管路共振頻率與壓縮機運行頻率接近產生共振效應。

       常見的管路模態分析未考慮流體效應（冷媒）對管路結構振動特性的影響，因此，本文利用干模態、濕模態及單向流固耦合三種分析方式，三種情況下的模態結果進行對比研究。

2、空調管路模型仿真前處理

        采用Creo軟件建立管路三維模型，如下圖所示，模型中已預先建立流體區域，共兩個主體。

       將三維模型導入Hypermesh中進行網格劃分，當然在這里也可直接導入workbench，利用默認的mesh工具進行網格劃分，但是該工具的網格質量無法控制。網格劃分是仿真的基礎，也是較為重要的一步驟，如何劃分高質量網格并非本文重點，不在過多闡述。網格劃分效果如下圖。

       結構的約束條件采用兩端固定支撐，管路材料屬性采用紫銅，冷媒材料屬性采用R410冷媒，各材料屬性參數如下表所示：

        網格劃分、約束條件、材料屬性定義之后，便可開始進行以下各類模態分析計算。workbench具有很好的模塊間數據傳遞功能，本文所涉及的三種模態分析，其數據傳遞如下。

3、空調管路干模態分析

     干模態分析，即一般的結構模態分析，不涉及流體效應對模態的影響，由于壓縮機頻率在20Hz~120Hz左右，因此，可對前10階模態進行分析，保證模態頻率在壓縮機頻率運行范圍之內。干模態在結構振動仿真中較為簡單，只需要設置約束條件、材料屬性等少部分參數，便可進行計算。干模態計算設置如下：

4、空調管路濕模態分析

       濕模態分析考慮流體介質對結構模態的影響，即將冷媒對管路模態的影響影視考慮進去，在這里我們需要注意的是冷媒并沒有流速，是靜止狀態的，沒有重力影響的，對壁面的壓力也為0。

在用Wockbench中Model Acoustics模塊進行濕模態分析時，需要將流體與所接觸的固體放入一個part中，使其共節點，否則計算會報錯。濕模態分析具體設置步驟如下：

5、空調管路單向流固耦合分析

       利用Fluent對流體在管路中的流動進行分析，計算出流體對管路的作用力，如壓力，在將作用力傳遞到結構分析中的管路內壁上，最后進行模態分析，該過程的后半段相當于預應力模態分析，即將靜力分析結果傳遞到模態分析中去。

       對流體的計算中，采用壓力基進行穩態流求解，勾選考慮重力的影響，模型采用k-e模型，材料選用R410a，邊界條件設置為壓力入口和壓力出口，入口壓力設置為2.656MPa，出口壓力設置為2.502MPa，模型較為簡單，收斂較容易，其他設置均默認即可，初始化后便可開始進行計算。Fluent基本設置如下：

       計算完成后便可得到流體在流動時對管壁的作用力，這里只分析壓力作用，其云圖如下，可以觀察到在入口、管路彎外受流體壓力影響較大。

        流體計算收斂圖如下：

流體分析完后，我們已經得到了流體在流動時對管路的作用力，隨后便是將該壁面的作用力傳遞到結構靜力分析中去，將靜力分析的結果再傳遞到模態分析中去進行預應力模態分析，靜力分析和預應力模態分析設置如下：

Imported Load分析設置：

6、結果對比分析

       將三種情況的結果進行對比分析，分析結果如下，我們可以發現，預應力模態頻率最高，這是由于流體在流動時對管路的壓力提高了管路的剛度，而濕模態對管路沒有左右用，只是在發生振動時起到阻尼作用，導致管路模態頻率下降，干模態則介于這兩者之間，同時還發現，除了第8階預應力模態外，其他預應力模態比干模態高出5~10Hz左右，而第8階次模態則高出許多，說明在通常情況下，干模態分析并不能完全預測在流體作用下實際結構的模態頻率，為準確預測，則需要考慮流體流動甚至重力作用下對結構的影響。（本文重點分析模態頻率，暫不進行振型分析）

7、參考文獻

[1]白靜峰.空調系統的流固耦合振動及其控制研究.2017.河北工業大學,MA thesis.

最后的最后，有不足之處歡迎指出，咱們一起探討、一起進步。