管道机器人驱动与控制检测系统设计

管道机器人可应用于管道内穿缆、检测等工作,属于特种作业机器人,在国内尚无相关产品投入使用,而国外产品的检测设备、技术价格又相当昂贵。由于国内经济建设的需要,设计一种实用而又廉价的检测机器人显得尤重要。检测技术采用流体运动的推动叶轮转动,根据叶轮带动的电机的电压确定流体速度,进而确定管道流量;并且管道机器人受到能源供给的限制,采用流体运动的推动叶轮转动,从而产生电能,供给机器人自用。     

飞机液压管道流固耦合振动特性及动响应分析

通过对输流管道的动力特性进行研究,利用有限元法对管道及流体单元建立运动方程;采用Hermite插值函数,利用里茨-伽辽金法将求解微分方程问题得到输流管道的动特性方程。在有限元方程的基础上,对某飞机上的一段液压管道进行有限元仿真分析,得到管道结构各阶固有频率、特征点处位移、压力变化规律,分析了流固耦合作用对管道系统的影响。另外,讨论了不同阻尼比对管道结构动态响应的影响,为飞机液压管道的设计及优化提供了依据和参考。     

基于流固耦合的管道机器人清淤装置

为验证管道机器人的清淤能力,对其清淤装置进行旋转条件下的流固耦合研究。对管道机器人的清淤装置进行简化处理,利用ANSYS Workbench软件,通过添加流体域,获得基于流固耦合的模型;通过mesh模块进行网格划分,得到基于有限元分析的高精度模型,在逆流条件下分别设置固体的转速1.6、0.3 r/s,顺流条件下设置固体的转速1.6 r/s,设置流体的流速和前进速度均为2.5 m/s,进行流固单向耦合计算;得到流体基于速度和压力的运动状态示意图,进行对比分析。结果表明:在逆流高转速条件时,清淤装置清淤效果显著,具有刮削-搅拌-过滤-推进-自流冲刷五位一体清淤作业能力,并为管道机器人的控制提供理论依据。     

水下航行器海流发电装置叶轮的数值仿真

针对水下航行器航行过程中的能源补给问题,设计了一种用于水下航行器的垂直轴海流发电装置.为探索稳定海流中发电装置叶轮的受力特性和功率输出特性,利用滑移网格技术对叶轮流场进行了二维非定常数值仿真,结果与实验数据较为吻合.针对4叶片和3叶片叶轮分析了叶轮旋转速度ω和叶片翻转角θ对叶轮发电性能的影响,结果表明,3叶片叶轮最大输出功率要高于4叶片叶轮,展长为1 m的3叶片叶轮在v∞=1 m/s、θ=120°和ω=0.3 rad/s时获得最大平均输出功率29.33 W.分析了3叶片叶轮在来流v∞=1 m/s下速度场的基本特点,为实际的设计安装工作提供了预测和指导.     

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。     

内检测器调速旁通阀流场特性仿真

旁通阀是内检测器实现速度控制的关键部件,其直接决定内检测器的运行安全及检测精度。为实现旁通阀结构最优化,进而制定合理的速度调节策略,本文通过数值模拟的方法研究了流体介质通过不同结构旁通阀时所具有的流场特性。仿真结果表明：当流体介质通过厚孔式旁通阀时,旁通孔前后压差、压力损失系数与泄流面积均成反比,且与理论计算值趋势一致且误差逐渐递减;当流体介质通过厚孔圆盘式旁通阀时,旁通孔前后压差与泄流面积成反比,而压力损失系数与泄流面积成正比;当流体介质通过转动式旁通阀时,旁通泄流尺寸越大,前后压差和压力损失系数均减小,与厚孔式旁通阀规律一致。可见,旁通阀前后压差与泄流面积呈绝对反比关系,而压力损失系数不仅受泄流面积影响,还与旁通阀自身结构有关。     

Savonius后置导流板的数值仿真

设计了一种自动对流装置,通过后置导流板在来流的作用下自动对准来流,使前置导流板能够处在最佳工作位置.这种系统不仅能够高效发电,而且制造成本低.基于这种设计,数值仿真研究了后置导流板对叶轮的影响.结果表明:叶轮长度越低、距离旋转中心越远,对叶轮的功率系数影响越小.由于发电装置稳定性和工程技术的限制,提出叶轮的最佳布放位置在距离旋转中心2.64D(D为叶轮直径)位置处,此处导流板对叶轮的功率系数影响小于2.6%.     

轴流泵、径流泵及混流泵流线型叶轮三元解析设计方法

在三元圆柱形坐标系中求解叶轮泵内流体连续方程、运动方程及能量方程,得到相对速度的分布及流面的解析表达式,再按照流面形状设计轴流、径流和混流泵叶轮轮盘及叶片,消除泵内紊流及滞止流,改进叶轮的流体动力学特性并提高泵效率．此方法在混流形叶轮血泵应用后,成功解决了叶轮泵破坏血液的难题．     

轴流泵,径流泵及混流泵流线型叶轮三元解析设计方法

在三元圆柱形坐标系中求解叶轮泵内流体连续方程,运动方程及能量方程,得到相对速度的分布及流面的解析表达式,再按照流面形状设计轴流,径流和混流泵叶轮轮盘及叶片。     

流体在管道中流动时管道的自振特性研究

基于三维弹性理论及欧拉线性方程,采用位移-压力格式有限元方法,得到附加矩阵。通过叠加附加矩阵把流固耦合结构振动问题化成普通的结构振动问题,建立了流体在管道中流动时结构振动的有限元方程,研究了流体在管道中流动时结构的自振特性,重点研究了流体速度对管道自振频率的影响。研究表明,管道各阶自振频率随着流体速度的递增呈递减的趋势。     

天然气管道缺陷检测器泻流装置

天然气管道缺陷检测器在管道内靠天然气的传输压力驱动前进,完成对在役管道使用状况的扫查,为了提高检测器检测精度,需要控制检测器速度在合理范围内.研制了一种通过气动控制泻流实现天然气管道检测器速度控制的装置.该装置利用管道内检测器前后天然气的压力差作为驱动力,根据检测器速度要求,驱动气缸的活塞实现泻流通道的开关.实验结果表明: 该装置功耗小于10 W, 泻流通道开关时间为数秒,满足管道检测器对速度调节的要求.     

新型碲化铋基温差发电系统数值及试验研究

采用新型碲化铋基合金热电材料,建立温差发电系统数学模型,基于类均温与热流体两类热源,进行有限元仿真分析,在Matlab/Simulink中建立包含最大功率跟踪控制的温差发电系统模型并进行电路仿真分析.通过仿真和试验分析了均温与热流两种热源下,基于新型碲化铋基合金材料的温差发电系统热电转化性能,结果表明:所建立的数学模型精度达到98.3%,提出的混合最大功率跟踪算法精度达到92.8%;在550 K恒温热源条件下,最高发电功率可达6.94 W;在热流温度550 K和质量流量40 g/s流体热源条件下,最高发电功率可达6.14 W.     

医用流体与肝脏血管内壁参数的测量及分析

通过分析医用流体在肝脏移植手术前准备等方面的应用,对其参数进行测量,并应用到肝脏非平滑血管灌注中,对血管动力学特性进行分析.构建一级非平滑堵塞血管实体模型及血管内液体湍流的控制方程.采用恒流灌注和对称式脉动流灌注在双向流固耦合条件下进行灌注仿真.基于医用流体测量装置和血管模型的构建进行仿真分析,结果清晰的显示了灌注过程中的尤其是管内异物周围的流体动力学行为及血管内速度场大小、血管变形及壁面剪切力分布.医用流体测量装置的构建实现了非平滑血管的灌注仿真分析,获取的流体动力学参数为改善肝供体质量提供了理论依据.     

P波作用下地下输流管道的动力响应分析

采用复变函数法研究了地下输流管道在平面P波作用下的动应力集中问题.建立了地下输流管道的流固耦联波函数,求解了地下输流管道在地震波作用下的波函数动力学方程.研究表明:流体作用对管道内的径向动应力集中分布的影响较大;无量纲的空间频率显示,在低频P波作用下,管内流体所产生的径向动应力集中沿管周呈均匀分布,当空间频率加大时,管道内流体震荡增强,影响了管道的应力分布形态;低频域下管道的环向动应力集中峰值点较多,随着入射波空间频率的增加,应力集中程度呈衰减趋势.     

混流泵叶轮的正反问题迭代法设计及流动分析

提出了用正反问题迭代法设计混流泵叶轮的新方法。该方法能够有效地弥补传统方法设计叶片时轴面流动的计算仅满足流体连续方程的缺陷,同时考虑了叶片形状对轴面流场计算的影响。通过两类相对流面迭代求解流体连续方程与运动方程,完成设计叶轮的正问题计算。采用逐点积分法进行叶片骨线绘型,在轴面上加厚叶片,在保角变换平面内修圆叶片头尾部,完成反问题设计。正反问题迭代计算直至收敛,最终完成混流泵叶轮的设计。采用SIMPLEC算法,通过求解Navier-Stokes方程和RNGk-ε湍流模型方程,模拟了混流泵叶轮内的三维流场,获得了叶轮内的速度与压力分布。结果表明:正反问题迭代方法设计的叶片对于水流的控制能力增强,叶轮内部流动稳定,压力分布均匀,具有更优的水力性能。     

粘性流体与输流管道耦合振动的有限元分析

考虑粘性流体在圆管中层流流动,采用Euler梁模型描述细长管道模型。应用虚功原 理推导输流管道系统的流固耦合振动有限元方程,研究了简支和固支两种边界条件下管道系统固 有频率及流体平均速度、流体粘性和预应力对固有频率的影响,分析了粘性的存在对临界速度的 影响。结果表明,粘性的存在使得前三阶固有频率偏低,流体平均速度越大这一趋势越明显;流体 平均速度越大,前三阶固有频率越小;随着预应力的增大,前三阶固有频率增大;粘性的存在使得 临界速度降低。     

300MN模锻水压机动梁驱动系统锻压速度动态响应特性

考虑流体的可压缩性、粘性阻力及工作框架系统变形等因素,采用解析法建立300 MN模锻水压机动梁驱动系统分配阀口、液压管道、液压缸的流量方程以及动梁和上横梁的动力学方程,得到驱动系统的动态机液耦合模型.研究结果表明,仿真和试验研究结果相互吻合;动梁速度在阀芯开启瞬间瞬变载荷作用下发生变化,响应时间约为0.7 s;必须采取针对性控制策略以确保速度控制精度.     

倾斜管道物料输送中流固耦合振动问题的算法研究与应用

目的针对倾斜管道物料输送的流固耦合振动问题建立通用求解算法以解决实际工程问题.方法对具有倾斜角度的物料输送管道建立力学模型,应用力学原理推导了倾斜管道的流固耦合动力学方程;通过无量纲化获得简化形式的振动微分方程;应用有限差分法构造了五点差分格式计算模型,并利用VB语言编制了求解响应分析计算程序.结果通过对不同时刻管道振动图像的对比分析可知,当没有流体流过管道时,管道处于平衡位置,且管道末端纵向位移是0.7 mm;当有流体流动时,管道末端的最大摆动幅度为8 mm,最大振动增量为0.56 mm.由此表明流固耦合现象是引起管道振动的主要原因.结论应用笔者方法可有效解决倾斜管道流固耦合振动问题.     

盾构隧道竖井内油气管道流固耦合振动特性分析

对某盾构隧道竖井内的油气管道,基于ANSYS Workbench平台建立流固耦合振动有限元模型,采用直接耦合方法对油气管道进行结构模态特性计算。仿真模拟考虑了内部流体和外部静水与管道耦合作用、管道固定导向支座约束、管道壁厚以及流体介质密度对油气管道固有频率和振型的影响。结果表明:流固耦合作用和固定导向支座约束都会降低管道的固有频率,其中外部静水对管道固有频率的影响较大,不可忽略;管道的固有频率随壁厚增大而增大,随流体介质密度增大而减小;管道的低阶模态属于梁式振动形态,高阶模态属于壳式振动形态,流固耦合作用对管道的振型没有影响。     

湿喷机喷嘴流场仿真分析

为了研究湿喷机喷嘴出口混凝土的均匀程度,根据湿喷机喷嘴流场的结构建立物理模型,再根据流体动力学方程建立混合流体在喷头内部流场中的力学模型,得到混合流体在喷嘴流场出口的理论速度和理论压力。然后利用Gambit软件对湿喷机喷嘴内流体进行三维建模,结合CFD软件Fluent选用RNG湍流模型与多相流中的欧拉模型,对喷嘴内气固两相流进行仿真计算,得到喷嘴内流体的压力、速度云图和相体积分数云图。在此基础上分析混合流体在出口截面上各相的体积分数,得到了混合物中空气的均匀度为93.88%。研究结果表明:通过将理论值与仿真值进行对比,发现混合流体的理论值与仿真值较为接近;在喷嘴出口处混凝土和空气混合的很均匀;通过混凝土喷射试验验证了仿真计算的正确性,且现有的喷嘴结构具有一定的合理性,并为今后喷嘴结构的改进与优化提供依据。