山地灌溉管道水力特性的数值模拟

有压管道的水力特性是管道设计工作的依据和前提。为研究山地灌溉输水管道水力特性,该文建立山地灌溉输水管道水动力学数学模型,运用计算流体动力学数值模拟方法,对有压灌溉管道中凸起管段的水力特性进行模拟。该文以输入流量为控制变量,计算管道水流能量损失,分析了Re与管道凸起段135°弯头局部阻力系数的关系;研究输水管道凸起段水压和流速分布特性。结果表明:当Re5.0×104时弯头局部阻力系数随着Re增大而迅速减小,当Re7.0×104时弯头局部阻力系数趋于稳定,当2.3×104Re7.0×104时,弯头Ⅰ、弯头Ⅱ、弯头Ⅲ、弯头Ⅳ局部阻力系数变幅范围为4.12~0.37;弯头处静压分布均表现出外侧压力大,内侧压力小;速度值的大小均表现为弯头外侧速度小,内侧速度大。     

流固耦合对裸露输气管道固有频率的影响

以采空区埋地管线系统为研究对象,利用Hamilton原理,推导出考虑弯曲变形、流体压力和温度变化等因素的输气管道横向振动微分方程。以两端简支管道为例,利用里兹法求解固有频率,进而分析了温差、流体流速、压力以及几何因素对输气管道固有频率的影响。研究结果表明:管内流体流速对管道固有频率的影响较小,工程流速范围内,可忽略流体流速的影响;管道固有频率随流体压力的增加而降低;管道固有频率值随管长的增加而降低,随外径的增加而增加;管道固有频率随温度改变量的增加而降低。     

外加横向激励对固-铰支承管道流固耦合振动的影响

首先, 由Hamilton 原理推导外侧施加横向激励的输液管道流固耦合弯曲振动微分方程, 针对固-铰支承管道提出一种新的振型函数, 利用Galerkin 法求得前五阶固有频率表达式, 并且通过对比验证了新振型函数的正确性. 其次, 在一阶截断情况下求得这类管道的挠度、弯矩和剪力表达式, 讨论了流速、液压和外激频率变化对固-铰支承管道中点挠度和最大弯矩的影响. 结果表明, 由新振型函数确定的前五阶固有频率不仅计算简便而且具有很高的精度, 同时验证了输液管道固有频率对液压和流速的依赖性, 也证实了对于流固耦合问题, 结构发生共振与外激频率接近结构固有频率有关同样适用.     

基于Workbench的流固耦合作用下三通管振动特性分析

使用ANSYS Workbench软件,对流固耦合作用下的三通管振动特性进行分析。首先应用Solidworks和ANSYS Workbench对结构进行几何建模,再利用CFX模块对流场进行计算,将得出的结果以荷载的形式导入Workbench进行流固耦合状态下的模态分析。计算研究三通管在双进单出和单进双出情况下的入水口流速、入水口压强和管壁厚度对固有频率的影响。结果表明,双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大,两种不同流体流动方式三通管的前六阶振型都主要是整体梁变形;管道的固有频率会随着入水口压强和流速的增加而增加;随着壁厚的增加,前三阶固有频率有所降低,第4～6阶固有频率则先升后降;在入水口压强、入水口流速和壁厚等条件相同的情况下,双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大。     

不等厚性对弯头应力分布影响的有限元研究

弯头作为受压管道中的重要部件，不仅能改变管线的方向，还可以提高管路柔性，缓解管道振动和约束力，并对热膨胀起补偿作用。以往对弯头的研究只考虑壁厚均匀不变的情况，但是实际上弯头的壁厚是沿着弯曲半径变化的，并且弯头的截面也具有一定的椭圆度。通过对实际生产中弯头壁厚的调研，分别考察热推、冷弯工艺对弯头壁厚改变的影响。并应用有限元方法分析了冷弯弯头的应力状况，得出其最大应力发生点随着外拱处壁厚减薄量的增大而向外拱处转移。     

基于流固耦合的过桥水管动力特性研究

基于流固耦合理论,采用实验和数值模拟相结合的方法对过桥水管的动力特性进行研究.结果表明:双向流固耦合数值模拟得到的过桥水管的固有频率与实验结果较为相近,在流速变化范围不大的情况下,水体的流速对管道的固有频率影响很小,而且随着流速的增大,管道的固有频率减小;由于管道为弯管,随着速度的增加,水体对管道的压力和拉直作用相应增加,管道的变形和应力也随之增大.     

基于Workbench的除尘管道流固耦合数值分析

以大型消音除尘进气管道为研究对象,对其内部流场及结构场进行流固耦合数值分析。根据流体力学基本方程和流固耦合基本方程,应用CFX对管道内部流场进行模拟仿真,得出管道内压力、速度云图。将流场计算结果导入Workbench,利用流固耦合理论,得出耦合后管壁的压力分布和等效变形云图。仿真结果表明,空气流经管道时,从进风口处到出风口处,管道中压力水头转化成速度水头,压力减小,流速增大,出风口处产生负压;耦合后管壁存在微小变形,管壁四个角的变形明显大于壁面变形。     

薄壁异形管面内绕弯过程的模拟与实验研究

研究了一种薄壁异形铝管面内绕弯成形过程.基于LS DYNA软件平台建立了铝管弯曲过程的有限元仿真模型,并通过实验验证了模型的可靠性.提出了该口琴形截面薄壁异形管弯曲成形过程中孔道畸变的评价方法,分析了弯曲变形后各孔道的变化规律,以及弯曲角度、弯曲半径、模具与管坯间隙和模具与管坯间的摩擦对异形管孔道畸变的影响规律.研究结果表明：异形管弯曲变形后外侧孔道缩小而内侧孔道扩大,其孔道的畸变程度近似呈线性分布;增大弯曲半径有利于减小孔道畸变程度,而弯曲角度、模具与管坯间隙和模具与管坯间的摩擦对孔道畸变影响不大.     

60°T形弯头内二次流特征

石油化工中普遍存在的T型弯头结构是诱发管路振动的重要因素,明晰弯头内流场特性,对于压力管道的长期稳定运行具有重要意义。本文研究设计并组装了模拟工业运行管路,观察段使用有机玻璃制作的60° T型弯头,采用三维粒子影像测速系统(PIV)和压力传感器测量管路中流体的二次流特征。通过流线图和速度矢量图,对比分析不同流速下管道内涡流的分布和运移规律。结果表明,60° T型弯头中存在一对大小不等的周期性交替摆动的涡,在一个周期内出现、增加、减少和消失,具有卡曼涡街和迪恩涡旋的部分特征。这两个涡交替变化的频率随流速增加呈指数型增大,管内流体压力脉动的幅值也随流速增加而升高,但管道正面的涡流规律基本不变。采用RNG k-ε模型结合二次上游插值(QUICK)方法、压力-速度耦合方程(SIMPLE)模拟管道侧面二次流变化规律,模拟结果与实验数据吻合度较高。研究结果为明晰T型弯头内涡流诱发管道振动规律及预防措施优化提供了理论依据。     

柔性压力管道甩击特性数值模拟

柔性压力管道作为一种重要的流体输送工具，以适用性强、安装快捷等特点广泛应用于临时或机动工程中，但随其耐压等级与额定流量不断提高，管道的振甩现象愈发突出，甩击事故时有发生，存在重大安全隐患。利用ANSYS Workbench平台对柔性压力管道脱扣断裂甩击行为进行数值模拟，研究了管道流速、流体物性参数、管道弯曲长度和弯曲半径、约束位置对甩击运动的影响。结果表明：管道的甩击运动具有很强的非线性特征，脱扣端的变形位移和甩击速度最大，固定端的等效应力最大；随管内流速增加，管道甩击的变形位移、甩击速度、等效应力增加，应变能呈高次方变化；随流体密度增加，管道甩击运动的主要参数都线性增加，流体黏度增加，管道甩击更加剧烈；管道长度越长，其运动周期越长；弯曲半径增大，管道甩击运动的主要参数都减小；而管道安全扣的约束位置主要影响了管道运行的长度和弯曲半径，从而对甩击运动产生影响，管道甩击振动由二阶模态主导。     

清管器测径板与U型管道中弯头撞击分析

测径清管器经过U型管道时,若测径清管器设计不合理或者清管器运动速度过大,清管器测径板易与弯头相撞,导致测径板变形,从而误以为管道上存在变形。为解决该技术难题,结合一种具体测径清管器,通过分析该测径清管器经过U型管道弯头时的运动特性和测径清管器及弯头的几何特性。得出结论:当测径清管器的运动速度超过一个极限速度时,清管器经过弯头时所受离心力大于清管器支撑板的屈服极限,引起前支撑板屈服,此时测径板可能与弯管内壁外弧侧相撞,同时还得到影响此极限速度值大小的多种因素。另外,发现测径板、支撑板、弯头曲率半径满足一定的几何特性关系时,清管器测径板将与弯管内壁内弧侧撞击。利用得到的这些分析结论,可指导并修正清管器设计,控制测径清管器的运行速度,从而避免测径清管器经过U型管道的弯头时发生撞击。     

崩滑岩体对埋地管线横向冲击作用的数值模拟

采用离散元软件3DEC对高速下落岩体冲击地面、引起埋地管道动力响应的过程进行数值模拟,考察影响管道表面土压力和管道变形的主要因素.结果表明:冲击荷载作用下管道表面土压力分布非常不均匀,靠近管道顶部的区域是主要影响区,冲击作用面积是主要影响区范围的决定性因素;落体质量和冲击速度是影响管道表面最大土压力的主要因素,落体对管道表面土压力沿纵向的影响范围大致为冲击作用半径的2倍;落体速度相同时,落体质量对管道变形的影响比冲击作用面积更显著;增大管道埋深可以减小管道的冲击变形量;与采用较硬的黏土作为管沟填充料相比,无黏性砂填充时冲击荷载更容易引起管道发生较大变形.     

考虑残余顶推力作用时盾构下穿引起既有顶管管廊变形

针对隧道开挖引起上覆既有顶管管廊变形的工况,提出了一种可考虑顶管管廊残余顶推力的管廊竖向变形理论计算方法。第一阶段采用修正Loganathan公式解得隧道开挖引起周围土体的自由位移,把土体自由位移附加在既有管廊轴线上,第二阶段将既有管廊简化成无限长Euler-Bernoulli梁搁置在Pasternak地基模型上,同时考虑管廊轴力对其变形响应的影响,随后根据管廊两端自由的约束条件提出了隧道开挖引起既有管廊受力变形半解析解。研究结果表明：与某工程实测数据验证对比,本文方法计算结果与实测较为符合;与本文方法退化解析比较,本文方法预测结果更具有优越性。进一步参数得到如下结论：地层损失率的增大会使得既有管廊位移及其内力呈现线性增大的趋势;随着管廊直径的增大,既有管廊位移和弯矩会迅速增大,其增速也在不断增大;随着隧道开挖轴线埋深的增加,既有管廊位移和内力均会大幅度减小。     

低浓度多相流管道冲蚀磨损数值模拟

液固多相流冲蚀磨损会严重影响管道的使用寿命。以某输油管线设计为研究对象,运用Fluent软件中的Mixture-DPM双向耦合模型研究低浓度颗粒的油水多相流管道流场变化,分析集输管线整体冲蚀速率分布,得到了不同管件冲蚀磨损较严重的区域。为了进一步研究冲蚀磨损的影响因素,选取3种不同的入口流速及原油含水率进行综合对比分析,结果表明：不同管件的冲蚀磨损区域各不相同;90°弯管磨损区域主要集中在外拱壁面,三通管磨损区域主要位于下支管右壁面,渐缩管磨损区域主要位于喉部区域及出口处,盲三通在盲端1/3处形成小型旋涡,且磨损区域主要位于盲端与下支管相贯线区域以及下支管右壁面处;冲蚀速率随入口流速的增加呈指数型增长,指数系数为1.89;随原油含水率增加,冲蚀速率呈倒"U"形变化,当含水率为20%时,冲蚀速率达到最大值。     

履带式管道机器人的自适应模糊控制

介绍了自适应履带式管道机器人的基本运动机构，分析了其在管内的运动状态，研究了对机器人在直管与大曲率半径弯管内移动时的运动模糊控制方式。根据大量的实验结果分析改变管道机器人运动环境，如不同管道直径、不同管道弯曲半径等，对机器人运动状态的影响。运用相关原理研制了具有一定管内运动环境自适应能力的履带式管道机器人模型样机及其运动控制系统。     

水平弯管内水合物浆的流动特性

 为了掌握水平弯管内水合物浆的流动特性,采用基于颗粒动力学理论的欧拉双流体模型进行建模研究,其中RNG k-ε 模型用于模拟湍流运动,液固两相间的曳力体现相间耦合作用。结果表明,弯头处出现了明显的二次流现象,且速度最大值分布在偏向内侧横截面上;颗粒增大了管内水合物浆湍动能,并使弯曲段的浆液湍动能分布更均匀,弯管和水合物的存在对压能损失产生影响。在相同的水合物体积分数下,浆液压力梯度随平均流速的增加而增大;在相同的流速下,浆液压力梯度随水合物体积分数的增加出现了缓慢增长区、过渡区和快速增长区。为了对堵塞风险进行有效预警,除了考虑平均流速等因素,还需要从水合物生长过程中微观特性变化的角度对压降分区和流变多样性进行探索。     

水平弯管内气固两相流的试验研究与数值模拟

在低压浓相气力输送试验系统中,采用石膏粉为输送物料,进行水平弯管气力输送试验,并采用ANSYS软件对水平弯管气力输送进行数值模拟。通过试验,得出弯管的压力降随弯曲角度的增大而增大、随曲率半径的增大而减小的变化规律,并拟合出压力降与各输送特性参数之间的理论关联式;模拟结果显示,随着弯曲角度的增大,弯管内侧与外侧的压强之比愈来愈大;固相与气相的分布梯度更加明显,固相偏向外侧,气相偏向内侧,呈现更加复杂的紊流。