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《中国石油大学(华东)》 2016年
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气液两相流海洋立管系统流固耦合动力特性研究

王琳  
【摘要】:输送流体的管道动力学行为一直备受人们关注。在许多工程领域,如输油管道,高性能运载火箭、导弹的各种部件,输送物料的管线和传送带,核反应堆系统部件中,都观察到了流体流动诱发的管道振动现象。这种管道振动现象会引起管道疲劳损伤、管束碰撞、磨损及管道破坏等问题,严重危害管道的运行安全。由于气液两相流在立管系统内的流动形态剧烈变化,导致密度分布、压力、流量等瞬态参数随时间变化,会引起立管受力变化以及对弯头等部位的冲击;另外,海洋立管系统细长的结构特点与约束方式,使其易于发生弯曲振动。本文采用理论推导、数值模拟与实验研究相结合的方法,对气液两相流海洋立管系统的动力响应计算方法及其特性进行研究,本文主要研究内容及结论如下:(1)搭建了组合立管实验装置来模拟海洋立管系统,对立管系统内气液两相流流动特性进行实验观测,将观察到的流型分为典型严重段塞流、严重段塞流II、过渡流型、段塞流、波动气泡流、稳定气泡流、乳沫流共7种,并绘制了流型图,划分出各种流型所处的气液流量范围,对各流型的流动特性进行了详细描述;对不同流型的压力波动特性进行测试,对压力信号进行时频分析。(2)利用Fluent软件,采用VOF模型建立了立管系统中气液两相流的二维和三维数值模型。二维数值模拟中,将长距离下倾管路等效为箱体,可对立管内的气液两相流流动形态进行较准确模拟,且大幅减小了计算规模,提高了计算效率。采用二维数值模拟方法模拟出了典型严重段塞流、严重段塞流Ⅱ、过渡流型和稳定流动共4种流型,并对这四种流型的平均流速、质量流量、含气率、流体冲击力等瞬态参数进行了分析,发现典型严重段塞流、严重段塞流Ⅱ的瞬态参数都具有较强的周期性,其在立管顶部的波动比立管底部强烈。(3)利用动网格技术对立管振动时的严重段塞流、过渡流型进行模拟,发现立管振动对严重段塞流的周期性没有影响,对过渡流型的总体流动特性影响不大,但流动参数随管道振动在小范围内波动。采用三维数值模型对严重段塞流进行了模拟,发现气液喷发阶段的气体流速略大于液体流速,而在回落阶段,液体主要沿管壁滑落,气体在管道中心上升;管道系统内的气液两相流三维数值模拟的开销巨大,实际应用困难。(4)采用平衡法推导得到了气液两相流管道耦合动力学模型,引入基于段塞流的通用气液两相流模型,确定动力响应计算中相关的两相流参数,详细阐述了数值求解方法,并对数学模型和数值方法进行了验证。模拟验证中,对段塞流引起水平悬跨动力响应过程进行数值模拟,将本文模型的计算结果与CFX和Ansys联合仿真结果进行对比;开展室内实验,对动力响应实验的管道材料进行性能测试,对气液两相流管道的阻尼比进行测试;开展气液两相流水平悬跨动力响应实验,将实验结果与本文数学模型的计算结果进行对比,验证本文数学模型及数值方法的可靠性。(5)建立气液两相流海洋立管系统的模态分析方法,预测与评估不同流态的气液两相流引起弹性基础上海洋立管的振动特性。模态分析中,考虑流体密度分布的变化和不同弹性基础系数对振动模态的影响。模态分析与两相流实验结果相结合,分析不同弹性基础时,7种流型引起立管共振的可能性,并预测各流型引起立管振动的特性。最后,测试了7种流型引起的实验装置的振动响应,验证耦合振动分析方法的准确性。结果表明:气液两相流和弹性基础对立管系统的固有频率和振型有显著影响;立管系统无弹性基础支承时,典型严重段塞流、严重段塞流Ⅱ、段塞流和波动气泡流会引起立管系统的共振;基础的弹性系数较大时,两相流不会引起立管系统的共振,实验装置的振动响应与管内两相流流动参数的波动规律一致。(6)基于改进的严重段塞流瞬态数学模型和平面刚架理论,建立严重段塞流海洋立管耦合振动数学模型,对数学模型进行求解,研究了严重段塞流引起的海洋立管振动响应。数值模拟过程中,采用欧拉法计算严重段塞流流动参数,利用Galerkin法对立管结构动力学方程进行有限元离散,Newmark-β法求解离散方程。为了提高计算效率和精度,采用了变时间步长逐步积分方案。将数值模拟结果与实验数据进行对比,验证了数学模型和数值方法的准确性。对严重段塞流引起的立管系统位移响应、内力和支承力变化进行了深入分析。结果表明:立管系统的振动响应、内力变化规律与严重段塞流的周期性特征密切相关;弹性基础可以极大降低管道结构的振动幅度及内力,尤其是下倾管的弯曲内力;上升管的高频振动幅度较大,轴力和弯曲内力变化也较大。严重段塞流引起海洋立管振动响应的分析对海洋立管设计及其支承防护具有重要的指导意义。(7)利用CFX和Ansys联合仿真方法对涡激振动特性进行二维数值模拟,发现振动圆柱和静止圆柱的涡激力特性有很大不同。同时编程对不同液塞长度、速度和段塞周期条件下的涡激振动进行数值模拟,发现:涡激力的频率接近管道固有频率时,管道振动频率发生锁定;管内流体质量增加会使振动幅度减小;液塞速度较大时,立管振动的幅度有所增加,管道振动的低频分量显现。研究成果可用于海洋立管系统的动力学行为预测及评估,对海洋立管系统的疲劳损伤与寿命预测,支承防护,抑振、抗震设计,建造及作业安全等具有重要意义。
【学位授予单位】:中国石油大学(华东)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TE973.92

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