CN109726454A - 管路系统的流固耦合建模方法及装置 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种管路系统的流固耦合建模方法及装置，涉及管路系统技术领域，该方法包括：按照管路系统的走向将所述管路系统划分为依次排列的多个直管单元；建立各个所述直管单元在流固耦合作用下的直管动力学模型；建立全局坐标系并将所述直管动力学模型统一在所述全局坐标系；在所述全局坐标系中，按照多个所述直管单元的排列顺序组合所述直管动力学模型形成系统动力学模型。本公开能够精准地建立管路系统的流固耦合模型。

Description

管路系统的流固耦合建模方法及装置

技术领域

本公开涉及管路系统技术领域，具体而言，涉及一种管路系统的流固耦合建模方法以及管路系统的流固耦合建模装置。

背景技术

管路系统是航空飞行器、航天飞行器等的动力传输的主要通道。与传统工业管路系统结构相比，飞行器管路系统的振动工况更为恶劣，常常体现出高压、大流速、高频、机动过载等特点，因此流固耦合现象非常显著。由此导致的管路系统、连接件及管路系统支撑等元件的失稳、共振、振动应力过大等是引发管路系统故障的主要原因。而且由于飞行器管路系统管径细、管壁薄、弯管走向复杂(受狭窄空间影响)，给管路系统的整体动力学建模和分析带来困难。

目前，输流管路系统的流固耦合作用下的振动问题研究多集中在简单直管路系统或弯曲管路系统。也有一些研究人员已经提出了多种求解方法，例如有限元法、特征线法等，但是难以直接应用于飞行器复杂的流固耦合管路系统，从而难以解决复杂管路系统的设计问题。例如

在上述方式中，有限元法在处理流固耦合问题时，流体域和固体域分别采用欧拉描述和拉格朗日描述，而这两种描述很难在同一个问题中得到统一；而若将流体作为附加质量处理，难以反映流固耦合问题中流体与结构的相互作用，因此得到的运算结果误差较大，从而导致运算精准度较差；除此之外，有限元法的计算量较大，导致运算效率较低。特征线法只反映一维流体压力、流量特性，难以体现流体的科氏力、惯性力等对管路系统结构变形和受力的影响，没有与管路系统的振动问题有效结合，应用范围较小，因此导致建立的模型不准确。

因此，有必要研究一种能够实现复杂管路系统的流固耦合建模方法和管路系统的流固耦合建模装置。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种管路系统的流固耦合建模方法以及管路系统的流固耦合建模装置，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的建模不准确的问题。

根据本公开的一个方面，提供了一种管路系统的流固耦合建模方法，包括：按照管路系统的走向将所述管路系统划分为依次排列的多个直管单元；建立各个所述直管单元在流固耦合作用下的直管动力学模型；建立全局坐标系并将所述直管动力学模型统一在所述全局坐标系；在所述全局坐标系中，按照多个所述直管单元的排列顺序组合所述直管动力学模型形成系统动力学模型。

在本公开的一种示例性实施例中，所述管路系统包括直管部和/或弯管部，按照管路系统的走向将所述管路系统划分为依次排列的多个直管单元，包括：将所述管路系统中的每一直管部划分为一个直管单元，将所述管路系统中的每一弯管部划分为多个依次排列直管单元。

在本公开的一种示例性实施例中，建立各个所述直管单元在流固耦合作用下的直管动力学模型，包括：建立各个所述直管单元的局部坐标系；基于所述局部坐标系建立各个所述直管单元的流固耦合振动方程；根据活塞流模型建立流体的作用力方程；根据欧拉伯努力梁理论，建立所述直管单元的轴向力方程、剪切力方程、扭矩方程以及弯矩方程；结合所述流固耦合振动方程、所述作用力方程、所述轴向力方程、剪切力方程、扭矩方程以及弯矩方程，得到各个所述直管单元的直管动力学模型。

在本公开的一种示例性实施例中，所述局部坐标系包括第一笛卡尔坐标系，所述第一笛卡尔坐标系的原点为所述直管单元的一端面的中心点，x轴的方向与所述直管单元的轴向一致，通过所述原点并与所述x轴相互垂直的两个轴为y轴以及z轴。

在本公开的一种示例性实施例中，将所述直管动力学模型统一在所述全局坐标系，包括：确定各个所述直管单元的所述局部坐标系相对于所述全局坐标系的方向余弦矩阵；根据所述方向余弦矩阵将所述直管动力学模型统一在所述全局坐标系中。

在本公开的一种示例性实施例中，所述全局坐标系包括第二笛卡尔坐标系，所述第二笛卡尔坐标系的原点为所述管路系统的一端面的中心点，x轴的方向与所述直管单元的轴向一致，通过所述原点并与所述x轴相互垂直的两个轴为y轴以及z轴。

在本公开的一种示例性实施例中，按照多个所述直管单元的排列顺序组合所述直管动力学模型形成系统动力学模型，包括：按照多个所述直管单元的排列顺序组合所述直管动力学模型，并加入边界条件以形成所述系统动力学模型。

在本公开的一种示例性实施例中，所述边界条件根据约束方式确定。

根据本公开的一个方面，提供一种管路系统的流固耦合建模装置，包括：管路划分模块，用于按照管路系统的走向将所述管路系统划分为依次排列的多个直管单元；直管模型建立模块，用于建立各个所述直管单元在流固耦合作用下的直管动力学模型；直管模型统一模块，用于建立全局坐标系并将所述直管动力学模型统一在所述全局坐标系中；系统模型建立模块，用于在所述全局坐标系中，按照多个所述直管单元的排列顺序组合所述直管动力学模型形成系统动力学模型。

在本公开的一种示例性实施例中，所述管路系统包括直管部和/或弯管部，所述管路划分模块包括：划分控制模块，用于将所述管路系统中的每一直管部划分为一个直管单元，将所述管路系统中的每一弯管部划分为多个依次排列直管单元。

本公开提供的管路系统的流固耦合建模方法和管路系统的流固耦合建模装置中，按照管路系统的走向将所述管路系统划分为依次排列的多个直管单元；建立各个所述直管单元的流固耦合作用下的直管动力学模型；建立全局坐标系并将所述直管动力学模型统一在所述全局坐标系中；在所述全局坐标系中，按照多个所述直管单元的排列顺序组合所述直管动力学模型形成系统动力学模型。一方面，通过将管路系统划分为多个直管单元，并通过直管单元进行系统建模，减小了计算量，进而提高了计算速度和效率；另一方面，对直管单元在流固耦合作用下的直管动力学模型进行全局坐标系统一，进而得到系统动力学模型，提高了建立的系统模型的准确性，从而减小计算误差，提高计算精度，除此之外，建模过程中考虑到了流固耦合作用，增加了应用范围。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本示例性实施例中管路系统的流固耦合建模方法流程图。

图2示出本示例性实施例中管路系统的离散模型图。

图3示出本示例性实施例中划分的直管单元示意图以及直管单元对应的坐标系。

图4示出本示例性实施例中某个直管单元的局部坐标系。

图5示出本示例性实施例中直管单元中节点的受力分析示意图。

图6示出本示例性实施例中管路系统中的节点编号。

图7示出本示例性实施例中管路系统的具体模型。

图8示出本示例性实施例中多直管组集方法的仿真结果示意图。

图9示出本示例性实施例中管路系统的流固耦合建模装置方框图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

本示例实施方式中首先提供了一种管路系统的流固耦合建模方法，即在流固耦合作用下对复杂管路系统进行建模。参照图1所示，该管路系统的流固耦合建模方法，包括以下步骤：

步骤S10，将管路系统按照所述管路系统的走向划分为依次排列的多个直管单元；

步骤S20，建立各个所述直管单元在流固耦合作用下的直管动力学模型；

步骤S30，建立全局坐标系并将所述直管动力学模型统一在全局坐标系；

步骤S40，按照多个所述直管单元的排列顺序组合所述直管动力学模型形成系统动力学模型。

根据本示例实施例中管路系统的流固耦合建模方法，一方面，通过将管路系统划分为多个直管单元，并通过直管单元进行建模，减小了计算量，进而提高了计算速度和效率；另一方面，对直管单元的流固耦合作用下的直管动力学模型进行全局坐标系统一，进而得到系统动力学模型，提高了建立的模型的准确性，进而提高计算精度，除此之外，建模过程中考虑到了流固耦合作用，增加了应用范围。

下面，将结合附图对本示例实施方式中的管路系统的流固耦合建模方法的步骤进行进一步的说明。

在步骤S10中，按照管路系统的走向将所述管路系统划分为依次排列的多个直管单元。

在本示例实施方式中，管路系统可以为输流管路系统，也可以为实现其他功能的管路系统，此处以输流管路系统为例进行说明。管路系统可以只包括直管部，也可以只包括弯管部，还可以同时包括直管部和弯管部，本示例性实施例中以管路系统包括依次连接的多个直管部以及多个弯管部为例进行说明。为了便于计算，可将每一个直管部直接划分为一个直管单元，将每一个弯管部划分为预设数量个依次排列直管单元来近似。预设数量例如可根据计算精度或计算速度等实际需求进行设置。

参照图2所示的管路系统划分结构示意图，图中虚线为划分线，两个相邻虚线之间的管路系统为一个直管单元。以“Z”形管路系统为例，“Z”形管路系统包括三个直管部和两个弯管部，将三个直管部均分别划分为一个直管单元，将两个弯管部均分别划分为五个依次排列直管单元。按照管路系统的走向划分直管单元可以理解为：若管路系统从左至右依次为直管部、弯管部，则该直管部为第一直管单元，弯管部按照管道的走向依次为第二直管单元至第五直管单元等等。

当然，在本发明的其他示例实施方式中，还可将每一个弯管部划分为四个、六个、八个或更多个依次排列直管单元。需要说明的是，将弯管部划分的直管单元的数目越多，越接近弯管部的真实形态，计算精度越高。

在步骤S20中，建立各个所述直管单元在流固耦合作用下的直管动力学模型。

在本示例实施方式中，在建立直管单元在流固耦合作用下的直管动力学模型时，首先需建立各个所述直管单元的局部坐标系，该局部坐标系为第一笛卡尔坐标系例如三维笛卡尔坐标系(x_i，y_i，z_i)。参照图3所示的某一个直管单元的三维笛卡尔坐标系。三维笛卡尔坐标系的原点为所述直管单元的左端面的中心点，x轴的方向与所述直管单元的轴向一致，通过所述原点并与所述x轴相互垂直的两个轴为y轴以及z轴；

基于第一笛卡尔坐标系建立的直管单元的流固耦合振动方程为公式(1)至公式(3)所示。

其中，方程(1)表示直管单元的横向振动，方程(2)表示直管单元绕轴向的扭转运动，方程(3)表示直管单元的轴向运动。

式中，E I为管路系统抗弯刚度，p表示流体压力，Af表示流体横截面面积，mp表示管路系统单位长度质量，wi(i＝y,z)表示管路系统在y和z轴方向的横向位移，G J表示管路系统抗扭刚度，表示管路系统绕x轴扭转角，ρ_p表示管路系统绕轴线的转动惯量，E Ap表示管路系统抗拉刚度，wx表示管路系统轴向位移，α和β表示材料的内阻损耗系数，其值为常数，取值与具体材料相关。Fif和Pf分别表示管路系统受到外界在横向和轴向的作用力，Tf表示管路系统受到的外界扭矩，而Fie和Pe表示因流体作用而引起的横向和轴向作用力，Te表示因流体引起的扭矩。

接下来，可根据上述方程得到因流体作用引起的流体对管路系统的作用力方程：

T_f(x,t)＝0 (5)

式中x为横坐标，t为时间，m_f表示流体单位长度质量，U表示流体流速。

将式(4)～(6)代入式(1)～(3)，同时将方程的解设为：

式中，A_in，B_n和C_n为常数，具体值由边界条件确定，e表示自然对数的底，k_a表示横向位移波数，k_b表示扭转波数，k_c表示轴向位移波数，这里的波数均是未知数。横向位移波数k_a、扭转波数k_b以及轴向位移波数k_c由下列频散方程决定，频散方程如下所示，式中，ω为圆频率。

根据欧拉伯努力梁理论，建立所述直管单元的轴向力方程、剪切力方程、扭矩方程以及弯矩方程，例如公式(13)至公式(16)所示。

式中，S_x为轴向力，S_i表示横向剪切力，M_x为管路系统横截面扭矩，M_i表示管路系统弯矩。

S_x(x)＝EA_pw′_x(x) (13)

S_i(x)＝-EIw″′_i(x)；i＝y,z (14)

M_i(x)＝EIw″_i(x)；i＝y,z (16)

将方程(10)～(12)的解k_a、k_b和k_c代入式(7)～(9)，获得直管单元两端节点的位移和转角的具体表达式，将其写成矩阵的形式为：

W_e＝D_1eC (17)

式中，W_e表示位移向量，C表示系数向量，D_1e表示位移向量W_e和系数向量之间的系数矩阵。

然后将方程(7)～(9)代入式(13)～(16)，得到直管单元两端力和力矩的表达式，将其写成矩阵的形式为：

F_e＝D_2eC (18)

式中，F_e表示节点力向量，C表示系数向量，D_2e表示节点力向量F_e和系数向量之间的系数矩阵。其中，

式中，上标L表示管路系统单元左端面，上标R表示管路系统单元右端面。

式(20)中的负号是为了满足协调性。如此一来，结合所述流固耦合振动方程、所述流体作用力方程、所述轴向力方程、剪切力方程、扭矩方程以及弯矩方程，得到所述直管单元的直管动力学模型为：

式中，D_e为直管单元的动力刚度矩阵。

对于每一个直管单元而言，本示例性实施例中建立的直管动力学模型为：

F_i＝＝D_iW_i i＝1,2,3,…,N (23)

式中，i代表第i个直管单元，N代表将管路系统划分的直管单元的总数目。

需要说明的是，本步骤中建立直管动力学模型时考虑了直管单元的流固耦合作用，因而减小了误差，更合实际情况。

在步骤S30中，建立全局坐标系并将所述直管动力学模型统一在全局坐标系中。

在上述步骤S10中已经将管路系统划分为多个直管单元，下面需要对直管单元进行组集，组集过程必须在统一坐标系下完成，因此，先要确立每个直管单元的局部坐标系相对于全局坐标系的方向余弦矩阵。全局坐标系是相对于整个管路系统而建立，且全局坐标系可以为第二笛卡尔坐标系，例如三维笛卡尔坐标系。具体而言，所述第二笛卡尔坐标系的原点为所述整个管路系统的左端面的中心点，x轴的方向与所述直管单元的轴向一致，通过所述原点并与所述x轴相互垂直的两个轴为y轴以及z轴。

参照图4所示的管路系统中的局部坐标系以及全局坐标系，图中的管路系统包括两个直管部以及连接于两个直管部之间的一个弯管部。具体可在每个直管部的两端的端点处各设置一个节点，对于弯管部而言，如果将弯管部划分为3个直管单元，则可以在直管单元的端点出设置节点。除此之外，由于直管动力学模型是已知的，而节点设置在直管单元的两端，因此在建立好局部坐标系和全局坐标系之后，每个节点的空间坐标都是已知的。

基于此，确定各个所述直管单元的局部坐标系相对于全局坐标系的方向余弦矩阵具体包括以下过程：已知管路系统中关键节点A₁、A₂、A₃的空间坐标以及直管单元i的局部坐标系x_iy_iz_i相对于全局坐标系x₀y₀z₀方向余弦矩阵t_0i，并且已知管路系统中的弯管部划分为n个直管单元来近似。

在此基础上，弯管部的圆心角θ可以表示为：

那么，第k(k＝i+1,i+2,…,i+n+1)个直管单元的局部坐标系(x_k，y_k，z_k)可以通过坐标转换来得到。图4中第k个直管单元的局部坐标系(x_k，y_k，z_k)相对于直管单元i的局部坐标系(x_i，y_i，z_i)的欧拉轴单位矢量记为n_k，欧拉转角记为α_k，欧拉转角正向规定为与欧拉轴单位矢构成右手旋向的转向，则欧拉轴单位矢量n_k在全局坐标系下表示为公式(25)所示，欧拉转α_k在全局坐标系下表示为公式(26)所示：

在全局坐标系和局部坐标系中，将欧拉轴单位矢量n_k的坐标列阵分别记为n_k0＝{n₀₁ n₀₂ n₀₃}^T，n_ki＝{n_k1 n_k2 n_k3}^T，则根据方向余弦矩阵性质得到：

根据方向余弦矩阵与欧拉轴及欧拉转角的关系，得到第k个直管单元的局部坐标系(x_k，y_k，z_k)相对于第i个直管单元局部坐标系(x_i，y_i，z_i)的方向余弦矩阵t_ik，如公式(28)所示；进一步地，就可以得到第k个直管单元的局部坐标系(x_k，y_k，z_k)相对于全局坐标系(x₀，y₀，z₀)的方向余弦矩阵，如公式(29)所示。

以此类推，通过同样的方法就可以建立管路系统中各个直管单元的局部坐标系相对于全局坐标系的方向余弦矩阵。

t_0k＝t_0it_ik (29)

接下来，可根据计算的方向余弦矩阵将所述直管动力学模型统一在全局坐标系中。由于建立的各直管单元的动力学关系均在局部坐标系下完成。因此，在组集前需要将各直管单元的位移w、转角内力S、力矩M转换到全局坐标系下。

那么，对第k个直管单元转换到全局坐标系下得到公式(30)至公式(33)。

式中，下标k表示在第k个单元在局部坐标系下的物理量，下标kg表示第k个单元在全局坐标系下的物理量。

w_kg＝t_0kw_k (30)

S_kg＝t_0kS_k (32)

M_kg＝t_0kM_k (33)

结合式(19)(20)，得到

W_kg＝T_kW_k (34)

F_kg＝T_kF_k (35)

T_k＝diag(t_0k t_0k t_0k t_0k)(36)

式中，T_k表示第k个单元的转换矩阵。

结合式(23)中的直管动力学模型就可以建立各直管单元在全局坐标系下的动力学关系：其中，D_kg为直管单元在全局坐标系下的动力刚度矩阵。

由于相邻直管单元之间通过节点相连，参照图5所示的在全局坐标系下对节点的受力分析图，则对于第N个节点得到公式(38)至公式(40)。式中，S表示沿x，y和z轴方向的节点力，k表示第k个直管单元，k+1表示第k+1个直管单元。

同样，管路系统中第N个节点处的节点力矩M可以表达为：

根据连续性条件，管路系统中第N个节点处的位移和转角满足：

联立式(37)～(45)，建立该节点处的动力学关系得到公式(46)至公式(49)：

F_N＝D_NW_N (46)

F_N＝{-S_Nx -S_Ny -S_Nz -M_Nx -M_Ny -M_Nz}^T (47)

D_N(h,j)＝D_kg(h+6,j+6)+D_(k+1)g(h,j)；h,j＝1,2,…,6 (49)

同理，就可以建立各直管单元各节点处的动力学关系，例如将节点k处的动力学关系表达式记为：

F_k＝D_kW_k (50)

在步骤S40中，按照多个所述直管单元的排列顺序组合所述直管动力学模型形成系统动力学模型。

本示例性实施例中，对于实际管路系统，可以视为上述多个直管单元的任意组合，按照管路空间走向，将多个直管单元按照实际管路系统相互连接，形成系统动力学模型，以进行流固耦合建模。其中，两个直管单元相连的点称为节点，对节点进行编号，如图6所示。

按照节点顺序建立管路系统动力学关系表达式为：

其中，和分别为管路结构的始端和末端的约束条件，结合边界处的条件，就可以构建管路系统的特征方程，并且该特征方程的解，即为管路系统的固有频率。一般来说，管路结构的边界根据约束方式的不同，可以简化为自由、简支、固支三类，不同边界条件下的表达式如表1中所示。

表1

接下来，以图7所示的一段空间三维航空管路系统为例进行说明。该管路系统的尺寸如图所示，尺寸单位为mm，管路材料为不锈钢，其它参数如表2所示，管路两端的边界方式简化为固支。

表2

进一步地，为了验证本示例性实施例中的计算精度，通过将预测结果与ANSYS计算结果进行对比，内部流体为气体，即管内流体密度为空气密度，内压为标准大气压。分别采用本发明所提出的多直管组集方法和ANSYS中PIPING MODELS模块对图7中的管路进行计算，结果如图8所示。

图8示出了多直管组集方法对管路系统的计算结果，其中曲线下顶点对应的横坐标即为管路系统的固有频率，单位是rad/s，取前十阶频率与ANSYS结果进行对比，对比结果见表3。

表3

从表3可以看出，本示例性实施例提出的多直管组集方法计算的结果与ANSYS计算结果前七阶频率的相对误差均在1％以内，后三阶相对误差超过1％，这是因为欧拉伯努力梁理论Euler-Bernoulli不考虑转动惯量和剪切效应的影响。因此在低频段是能够满足精度要求的，到了高频段由于转动惯量的影响是不可忽略的，所以相对误差随着阶数的增加会逐渐增大。但总体而言，多直管组集方法的计算结果与ANSYS计算结果吻合度较高。

除此之外，在利用多直管组集方法计算过程中，将每个弯管部划分为五个直管单元，直管部作为一个直管单元，即在计算图7的整个管路系统时仅用了13个直管单元，相对有限元法ANSYS而言，在保证计算结果精度的同时，大大减少了计算单元的数目。通过多组集方法将弯管部划分5个直管单元，通过对比计算结果可知每阶频率之间的相对误差均在2％以下，因此将弯管部离散成5段直管单元即可以满足精度要求，与有限元法相比，大幅度降低了运算规模，进而提高了运算效率。

另外，多直管组集方法建立的模型是整个管路系统的流固耦合振动方程，也就是说，在建立控制方程的时候，已经将流体与管路的相互作用考虑进来，所以在使用该方法计算时不需另外考虑对于整体管路系统耦合如何引入的难题，简化了模型建立步骤，能够方便地对复杂管路系统进行系统动力学分析，以得到复杂管路系统的固有频率，从而为管路结构的防共振设计提供了理论依据。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。

本示例性实施例中，基于上述建模方法，还提供一种管路系统的流固耦合建模装置，参考图9所示，该装置900包括：

管路划分模块901，用于按照管路系统的走向将所述管路系统划分为依次排列的多个直管单元；

直管模型建立模块902，用于建立各个所述直管单元在流固耦合作用下的直管动力学模型；

直管模型统一模块903，用于建立全局坐标系并将所述直管动力学模型统一在所述全局坐标系中；

系统模型建立模块904，用于在所述全局坐标系中，按照多个所述直管单元的排列顺序组合所述直管动力学模型形成系统动力学模型。

需要说明的是，上述管路系统的流固耦合建模装置中各模块的具体细节已经在对应的管路系统的流固耦合建模方法中进行了详细的描述，因此此处不再赘述。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本公开实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、移动终端、或者网络设备等)执行根据本公开实施方式的方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种管路系统的流固耦合建模方法，其特征在于，包括：

按照管路系统的走向将所述管路系统划分为依次排列的多个直管单元；

建立各个所述直管单元在流固耦合作用下的直管动力学模型；

建立全局坐标系并将所述直管动力学模型统一在所述全局坐标系；

在所述全局坐标系中，按照多个所述直管单元的排列顺序组合所述直管动力学模型形成系统动力学模型。

2.根据权利要求1所述的管路系统的流固耦合建模方法，其特征在于，所述管路系统包括直管部和/或弯管部，按照管路系统的走向将所述管路系统划分为依次排列的多个直管单元，包括：

将所述管路系统中的每一直管部划分为一个直管单元，将所述管路系统中的每一弯管部划分为多个依次排列直管单元。

3.根据权利要求1所述的管路系统的流固耦合建模方法，其特征在于，建立各个所述直管单元在流固耦合作用下的直管动力学模型，包括：

建立各个所述直管单元的局部坐标系；

基于所述局部坐标系建立各个所述直管单元的流固耦合振动方程；

根据活塞流模型建立流体的作用力方程；

根据欧拉伯努力梁理论，建立所述直管单元的轴向力方程、剪切力方程、扭矩方程以及弯矩方程；

结合所述流固耦合振动方程、所述作用力方程、所述轴向力方程、剪切力方程、扭矩方程以及弯矩方程，得到各个所述直管单元的直管动力学模型。

4.根据权利要求3所述的管路系统的流固耦合建模方法，其特征在于，所述局部坐标系包括第一笛卡尔坐标系，所述第一笛卡尔坐标系的原点为所述直管单元的一端面的中心点，x轴的方向与所述直管单元的轴向一致，通过所述原点并与所述x轴相互垂直的两个轴为y轴以及z轴。

5.根据权利要求3所述的管路系统的流固耦合建模方法，其特征在于，将所述直管动力学模型统一在所述全局坐标系，包括：

确定各个所述直管单元的所述局部坐标系相对于所述全局坐标系的方向余弦矩阵；

根据所述方向余弦矩阵将所述直管动力学模型统一在所述全局坐标系中。

6.根据权利要求5所述的管路系统的流固耦合建模方法，其特征在于，所述全局坐标系包括第二笛卡尔坐标系，所述第二笛卡尔坐标系的原点为所述管路系统的一端面的中心点，x轴的方向与所述直管单元的轴向一致，通过所述原点并与所述x轴相互垂直的两个轴为y轴以及z轴。

7.根据权利要求1所述的管路系统的流固耦合建模方法，其特征在于，按照多个所述直管单元的排列顺序组合所述直管动力学模型形成系统动力学模型，包括：

按照多个所述直管单元的排列顺序组合所述直管动力学模型，并加入边界条件以形成所述系统动力学模型。

8.根据权利要求7所述的管路系统的流固耦合建模方法，其特征在于，所述边界条件根据约束方式确定。

9.一种管路系统的流固耦合建模装置，其特征在于，包括：

管路划分模块，用于按照管路系统的走向将所述管路系统划分为依次排列的多个直管单元；

直管模型建立模块，用于建立各个所述直管单元在流固耦合作用下的直管动力学模型；

直管模型统一模块，用于建立全局坐标系并将所述直管动力学模型统一在所述全局坐标系中；

系统模型建立模块，用于在所述全局坐标系中，按照多个所述直管单元的排列顺序组合所述直管动力学模型形成系统动力学模型。

10.根据权利要求9所述的管路系统的流固耦合建模装置，其特征在于，所述管路系统包括直管部和/或弯管部，所述管路划分模块包括：

划分控制模块，用于将所述管路系统中的每一直管部划分为一个直管单元，将所述管路系统中的每一弯管部划分为多个依次排列直管单元。