流固耦合式管道检测机器人自主发电系统

为了给管道检测机器人的电气工作装置提供充足的电能,该文提出一种利用管道内天然气流体动能的管道检测机器人自主发电系统,推导出了各个环节的工作原理方程。利用管道内天然气的流体速度动力冲击机器人尾部叶轮,以及泄流前后的流体速度差,将流体动能转换为发电机的电能。通过对管道检测机器人速度控制装置的泄流状态的分析,建立了受控速度方程;在控制速度条件下,得出了叶轮机叶片的受力方程,并给出了单位时间内管道内流体扫过叶轮机的动能与泄流前后流体速度差的关系方程,并进一步导出了流体动能转化为电能的方程。针对管道内天然气流体速度随时间不规则变化的影响因素,采用了叶轮机最大功率捕获控制策略使自主发电系统的能量转换效率达到最大。对提出的管道检测机器人自主发电系统进行了流体的流固耦合仿真和电气的Matlab仿真。仿真结果表明:该流固耦合式管道检测机器人自主发电系统的工作原理可行,叶轮机额定输出功率在80W左右,而管道检测机器人的用电功率在30W左右,该自主发电系统可满足管道检测机器人系统的供电要求。     

一种超声蠕动微流体驱动模型的动力学研究

提出了基于超声行波和体积置换原理的超声蠕动微流体驱动模型.阐述了模型的驱动原理;利用有限元模型进行模态分析,预测了振动模态的谐振频率;通过瞬态动力学分析和谐响应分析观察腔体移动情况,得到了模型的幅频响应特性.为准确进行流体驱动效果分析,在模型内部填充流体介质进行声固耦合分析,得到了各个模态的振型和频率.通过对B(0,5)模态进行流固耦合分析,得到了模型内流体的运动情况,流体域的最大前向速度为15.5mm/s,最大体积流量为13.3ml/min.     

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。     

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。     

超声行波微流体驱动的流动特性分析

研究了超声行波驱动圆环模型的流动特性与影响因素.通过模态分析确定了模型的最佳驱动方式;通过谐响应分析和瞬态分析得到圆环形微管道内壁的振动位移分布以及行波运行情况;通过流固耦合分析得到微管道内流体的瞬时流动速度、时间平均速度以及各种参数对流动特性的影响.结果表明,圆环模型能在管道壁面产生较规则的行波从而推动管内流体流动.微管道内瞬时速度为正弦脉动量,时间平均速度为非对称的抛物线结构.该抛物线结构的形状受驱动频率的影响较大而受驱动电压影响较小,形状发生改变的频率范围在2kHz—2.5kHz之间.流体平均速度随粘度的增加而降低,首次发现流体粘度在0.07Pa.s时近壁开始出现反向流.此外,分析还发现耦合面结构对流体平均速度有较大影响.     

基于ANSYS-Workbench的流固耦合作用下输油管道模态分析

本文采用ANSYS-Workbench研究输油弯管在流固耦合作用下模态分析,通过改变流体流速和压强,分析流固耦合作用的管道的振动频率和应变.首先建立三维模型,然后针对在不同压强和不同流速工况下,管道振动频率和总体变形进行模拟,并与输油弯管自振频率对比分析.研究表明流体压力的改变对振动频率影响相对较大,而流体流速的改变对...     

管道清淤机器人协调运动控制系统的设计

目的 为增强管道清淤机器人运动的协调性和可控性,设计管道清淤机器人的协调运动控制系统,并针对多电机协同运动控制提出一种基于偏差耦合协调控制策略,实现轮式行走机构驱动电机的自适应控制.方法 通过分析管道清淤机器人运动状态,自动修正机器人的运动姿态,进而完成机器人两个动力装置之间的协调运动控制;根据确定的控制算法和控制系统...     

结合部耦合的能量分析方法

输流管道系统中的水击现象会导致流体压强大幅波动，威胁管道和设备的正常工作，因此评价其瞬变流动特性具有重要的研究意义。该文基于流固耦合(FSI)水击理论，建立了能量分析方法，讨论了流体能量和管道能量的变化规律，旨在描述结合部耦合对水击过程瞬变流动特性的影响。首先采用特征线法对流固耦合4方程模型进行数值求解并验证。在此基础上对模型进行数学推导和变换，获得了管道能量和流体能量的物理表达式和控制方程。深入分析了系统中能量的传递和转换过程，进一步借助无量纲因子对结合部耦合的影响进行了定量化描述。分析结果表明：考虑结合部耦合后，管道下游约束减弱，流体能量和管道能量均有不同程度的增大，系统流固耦合的剧烈程度有所增大，管道运动的剧烈程度显著增大，流体压强脉动的剧烈程度稍有减小。研究成果有助于理解和对比流固耦合水击过程动态响应，对定量化描述其瞬变流动特性具有重要意义。     

管道机器人轮-爪式行走装置运动学和力学特性分析

目的研究一种排水管道清淤机器人的轮-爪式行走装置,以增强管道清淤机器人在管道内行进能力,提高负载能力和自适应管径能力.方法建立运动学模型,通过ADAMS运动学仿真,对轮爪式夹紧机构进行运动学研究;通过ADAMS动力学仿真分析,得到了爪式夹紧机构最大夹紧力;通过ANSYS workbench静力学仿真,分析卡爪夹紧机构强度、刚度等力学特性.结果运动学研究分析得到夹紧机构工作空间变化为421.1～500 mm,卡爪支腿的速度变化为0～23.35 mm/s、加速度变化为0～36.76 mm/s~2.通过动力学分析,得到机构工作夹紧力为1 000 N.通过有限元分析得到机构产生的总变形变化为0～0.001 25 m,等效应变变化为1.142 3×10~(-8)～0.001 45,等效应力变化为2 010.1～2.95×10~(-8)Pa.结论卡爪夹紧机构的工作范围满足要求;机构速度和加速度曲线平滑,运行稳定,无震颤现象;机构最大夹紧力能保证推进的需要;机构满足结构刚度、强度要求.     

上游泵送机械密封热-流固耦合建模与性能分析

上游泵送机械密封具有低泄漏、低摩擦、长寿命的优点。基于密封端面流体域流场和能量方程,固体域弹性力学和热传导方程,将多物理场进行耦合求解,建立了上游泵送机械密封热-流固耦合仿真模型。基于该耦合模型对八字槽上游泵送机械密封进行了性能分析,揭示出机械密封在高转速下的温升和变形对上游泵送能力的削弱效应。进而获得了在不同几何和工况参数条件下,上游泵送机械密封的泄漏率、温升、变形等的变化规律,可应用于上游泵送机械密封工作机理研究和设计优化。     

基于三角形网格的无量纲最小二乘有限元法及其应用

利用最小二乘有限元法计算二维流体场需要采用四边形网格，而仅采用四边形单元剖分含有角环、圆角和尖角等复杂结构的电力装备二维仿真模型时往往出现网格畸变。为此，本文提出了一种基于三角形网格实现最小二乘有限元的方法，即在三角形剖分网格上再处理得到四边形网格，从而实现最小二乘有限元法计算流体场。为验证所提方法的有效性，论文分别对方腔模型和带有角环等复杂结构的变压器单分区模型进行了数值计算，并分别与规则四边形网格下的最小二乘有限元法和Fluent计算结果进行对比。对比结果表明本文所提出的网格处理方法可以实现含有复杂结构电力装备的二维流体场仿真。     

水力压裂多裂缝扩展的近场动力学模拟

为研究页岩水力压裂中多裂缝扩展规律,采用一种结合近场动力学和有限差分法的方法对水力压裂问题建立流固耦合模型。使用近场动力学建立单相固体平面应力问题模型,采用达西定律描述裂隙内流体和基质内流体的流动,对流动区域以损伤程度进行划分,并通过损伤值标定对应的渗透率,采用有限差分法求解得到渗流场压力分布,依据有效应力原理得到流固耦合模型。设计了不同间距的两条裂缝,交错的两条裂缝与三条裂缝同时扩展的模拟实验。结果表明,由于缝间干扰,两条裂缝扩展时会发生反向偏转,并且随着裂缝间距减小,偏转越明显;对于两条交错裂缝,随着裂缝扩展,会互相吸引;对于三条裂缝扩展的情况,中间裂缝的扩展会受到限制。可见需要适当增大水力裂缝间距,减小缝间干扰的影响。     

涡轮增压器轴承体耦合传热的数值仿真

基于涡轮增压器轴承体冷却机理,采用专业CFD软件和FEM软件分别建立了轴承体流体区域和固体区域网格仿真模型.运用流固耦合的仿真计算方法对涡轮增压器轴承体进行耦合传热分析,得到轴承体流体区域的流场、换热系数及温度场,并分析轴承体固体区域的温度场.仿真结果表明:机油和水同时冷却方式下,轴承体温度分布较均匀,其冷却性能较好.与实验对比,仿真模型的温度符合实际轴承体温度分布,证明了此方法的可行性,为轴承体冷却性能的设计优化提供依据.     

地下工程中的流—固耦合问题的探讨

叙述了涉及煤岩体－流体相互作用的地下流－固耦合理论的进展概况和流－固耦合作用的基本概念以及存在的工程背景。主要讨论了地下工程中液＋固、气－固、气－液－固、热－固、流等耦合作用的机理、建模方法、如系模型、数值分析思路及方法及未来工程应用中主要存在的问题。研究结果表明,进一步发展地下流－固耦合理论对解决地下工程的一系列问题有着重要意义,多因素耦合分析是今后研究流－固耦合问题的关键。     

岩石边坡中锚杆与地下水耦合的动力分析

基于对岩质边坡内锚杆与水体流固耦合问题的考虑,采用迦辽金法建立具有压缩性流体与固体流固耦合问题的动力有限元分析模型.通过在工程实例中的应用,表明随着地下水位的上升,岩质边坡随地震影响的反应增大,说明岩质边坡与水体的相互耦合对坡体结构地震反应影响显著.     

基于整场离散的气缸盖热流固多物理场耦合状态数值模拟

针对柴油机气缸盖工作状态数值模拟的复杂性及高耗时性,提出一种基于整场离散的高温燃气(热)、冷却液(流)、机械负荷(固)之间多物理场耦合分析方法.首先分析了热-流-固耦合的基本原理及关键问题,构建了气缸盖流固耦合传热的物理模型及有限元模型,采用整场离散法对气缸盖流固传热状态进行了耦合求解,得到了气缸盖的温度场,并在此基础上进一步与机械负荷产生的应力场进行耦合求解,得到多场共同作用下气缸盖的温度场及应力场,并分析了产生原因,实现了柴油机气缸盖热-流-固多物理场的耦合状态分析.结果表明:文中研究通过对流固耦合传热区域建立控制方程,使得传热交界面成了求解区域的内部,简化了热-流-固边界区域之间的反复迭代,相比于传统的分区计算-边界耦合法,提高了计算效率.      

城市浅埋隧道流固耦合施工效应对地表沉降的影响

采用ABAQUS有限元软件分析了浅埋隧道施工在考虑地下水情况下对地表沉降的影响,并与未考虑流固耦合效应进行比较.结果表明,流固耦合计算的地表沉降作用范围比未考虑流固效应要大的多,该研究为控制地表沉降及围岩变形提供了可靠的施工依据.     

基于N-S方程的储层渗流与孔眼管流耦合分析

为了实现储层渗流与孔眼管流全耦合模拟分析,应用多孔介质渗流力学、流固耦合理论,建立了应力作用下油藏流固耦合数学模型,依据流体动力学管流理论用Navier-Stokes方程控制井筒和孔眼中流体流动;采用多重物理量耦合分析软件COMSOL Multiphysic对所建的模型进行数值模拟分析,实现了对四个偏微分方程组的全耦合求解,对模拟结果的研究表明孔眼末端压降和应变最大,该处岩石容易失稳,模拟结果证明所建模型和求解方法是有效的。     

含流体相应力杂交单元等效弹性模量的分析

在页岩气开采的过程中,对含有大量微孔洞的页岩的真实模拟存在困难,因为往往涉及到带有流体孔洞问题,其中最主要的是拉格朗日网格与欧拉网格的过渡问题。针对这一问题,建立了一种带有流体的固体单元模型。在流固交界面引入面力平衡条件后,得到了它的修正余能泛函,并推导出一种新的带流体的应力杂交元。在与普通商业有限元软件MARC对比验证其有效性后,分别研究了在形状、体分比、空间分布位置、半径改变时模型等效弹性模量的变化。结果表明,不同形状对等效弹性模量影响不大;同体分比时,含流体孔半径增大,等效弹性模量也随之增大;体分比增大时,模型等效弹性模量逐渐下降;角度逐渐增大时,等效弹性模量逐渐减小,并且下降幅度逐渐减小。模型在流固交界面发生应力集中,且集中方向为孔的上下两侧。     

基于N-S方程的储层渗流与孔眼管流耦合分析

为了实现储层渗流与孔眼管流全耦合模拟分析,应用多孔介质渗流力学、流固耦合理论,建立了应力作用下油藏流固耦合数学模型.依据流体动力学管流理论用Navier-Stokes方程控制井筒和孔眼中流体流动;采用多重物理量耦合分析软件COMSOL Multiphysic对所建的模型进行数值模拟分析,实现了对四个偏微分方程组的全耦合求解,对模拟结果的研究表明孔眼末端压降和应变最大,该处岩石容易失稳,模拟结果证明所建模型和求解方法是有效的.