地震与原油流动耦合作用下斜拉桥管道的动态压力与位移响应研究

本研究针对斜拉桥管道系统在地震与原油流动耦合作用下的动态响应难题，创新性地建立了双向流固耦合模型，结合VOF多相流模型与结构动力学方程，首次实现了El Centro地震波与瞬态原油流动特性的全系统集成仿真。研究发现原油动态压力呈快速上升-波动-稳定三阶段变化，管道变形受流体位置与边界条件双重影响，密度因素显著影响压力幅值，为油气管道抗震监测提供了理论依据。

　　

能源输送管道作为现代工业的"血管系统"，其安全性直接关系到国民经济命脉。特别是在跨越峡谷水体的斜拉桥管道系统中，地震与内部原油流动的耦合作用会引发复杂的流固耦合振动，这种双重威胁可能导致管道破裂、能源中断甚至环境灾难。然而现有研究多聚焦单一因素影响，缺乏对地震-流体多物理场耦合作用的系统分析，且传统数值方法难以精确模拟这种高维非线性问题。

西安石油大学机械工程学院的研究团队在《Results in Engineering》发表的研究，通过建立创新的双向流固耦合模型，首次实现了斜拉桥管道-原油系统在地震与流体联合激励下的全系统仿真。研究采用VOF多相流模型耦合结构动力学方程，结合标准k-ε湍流模型，对102米长的X80钢制管道进行精细建模。通过施加20秒El-Centro地震波（峰值加速度2.92 m/s²）和2 m/s流速的瞬态原油流动，系统分析了65秒充油过程和150秒全周期动态响应。

关键技术方法

研究运用ANSYS平台构建包含124608个节点的管道有限元模型，耦合Fluent流体模块实现双向数据交换。采用VOF方法追踪气液界面，标准k-ε模型（C_μ=0.09）模拟湍流效应，通过系统耦合模块同步求解结构位移与流体压力。实验验证采用8米丙烯酸管道和CYG1401压力传感器（±0.5%精度）采集数据。

原油流动动力学

模拟显示原油在35秒到达管道出口，65秒完成填充。流动过程中底部原油因重力作用速度高于上层，形成复杂流态。自由出口边界导致出口处顶部残留空气，产生非对称流动特征。

管道位移特性

节点位移呈现"M"型分布，约束端（节点1/7/13）位移最小，跨中位置（节点3/4/10/11）位移最大。左半区位移先增后减，右半区先减后增，65秒充油完成后趋于稳定。地震阶段（120-145秒）引发最大31.8 mm变形，值得注意的是，充满原油的管道因质量增加反而表现出更强的抗震性。

动态压力演变

节点动态压力呈现"陡升-振荡-稳定"三阶段变化，入口附近（节点1）峰值达11650.24 Pa，稳定后各节点压力在1251-1312 Pa区间。地震引发压力波动幅值与密度正相关，889 kg/m³原油的波动比750 kg/m³高11.9%。密度每增加70 kg/m³，稳态压力提升约9-11%。

实验验证

丙烯酸管道水介质实验与仿真结果高度吻合，动态压力趋势误差<8%，验证了模型的可靠性。3σ准则处理后的数据显示，仿真与实验的稳定态压力均落在1200-1400 Pa区间。

该研究首次揭示了地震-流动耦合作用下斜拉桥管道系统的动态响应规律：原油填充过程会显著改变系统刚度分布，而密度增加会线性放大动态压力波动。这些发现为管道抗震设计提供了关键参数——建议在跨中区域加强支撑刚度，并针对不同密度原油采用差异化的抗震措施。论文建立的VOF-FSI耦合模型，不仅填补了多灾害耦合作用理论空白，其提出的"充油时间-地震响应"关联性准则，更为油气输送管道的实时监测系统开发提供了量化依据。这项成果对保障"一带一路"能源通道的抗震安全具有重要实践价值。