研究流体的影响参数对轴向耦合振动的管道输送多相流

文摘

泥浆reservoir-pipeline-valve系统为研究对象,轴向动态振动耦合引起的管道系统的水力瞬变由于快速关闭阀的管道。在多相流流动参数的影响,包括空隙率,密度比、液相和固相之间的弹性模量比,分析了管道系统的振动行为。本研究的结果表明,波速度的压力和压力时可以减毒显然在多相流体增加适当的空隙率;与此同时,管道压力波动和振动的振幅也明显减弱。随着密度的增加比率之间的固相、液相管道系统的振动强度变得越来越强大。在这种情况下,振动能量的增量主要集中在流体,使流体的压力能迅速上升。当固相,液相之间的弹性模量比的增加,流体的总弹性逐渐降低。同时,压力流体的能量和振动管的强度增强,但增量非常轻微。

1。介绍

作为一种优秀的运输模式,管道系统被广泛用于许多领域,如海洋工程、核工业、石油工程。在管路系统的操作过程,一个极端的水力状态,也就是说,水锤,通常是由动态或控制系统的干扰。由于固耦合(FSI)的影响,水锤可能会引起强烈的管道系统的耦合振动,也会降低系统的可靠性和性能,甚至会进一步导致严重的灾害。因此,它是重要的和直接意义准确地分析管道系统的耦合振动原理采取安全预防措施,确保整个系统的可靠运行,减少能源的损失,等等。

广泛的调查已经进行管道系统的耦合振动。几个耦合振动模型描述非线性动态行为的液体输送管道是由Paidoussis和李1张),和黄2),戈尔曼et al。3],李和涌[4),和俄梅珥et al。5),分别。获得管道系统的耦合振动响应结果在时间和频率域,不同的数值方法,如商务部、有限元、MOC-FEM,行波法、和传递矩阵法,是利用Wiggert和Tijsseling6),Kochupillai et al。7),Zanganeh et al。8),任et al。9许,et al。10),分别。

通过不同的理论模型和数值程序,一些具体的研究涉及流体和结构参数的影响管道系统的耦合振动特性。张(11)进行了一次调查流体和壳牌的影响参数对耦合频率基于波传播的方法。李等人。12]分析了FSI的特点,通过改变影响因素弯管的弯曲半径和角度。Adamkowski et al。13)进行他们的研究动态泊松效应的影响在压力期间记录液压瞬态FSI使用实验数据和数值计算。杨和风扇14研究管道结构阻尼的影响,管道泊松比和管道壁厚以下系统的振动响应。刘等人。15]分析了蒸汽参数的影响,蒸汽压力和速度,在蒸汽管道系统的自然特征。林等。16]讨论了流体参数的影响,包括液体压力、流速,和轴向力,液压管的航空发动机的振动特征。Zhang et al。17)内部流动的影响进行了调查,内部流速的变化,前张力振幅深水立管的耦合振动。伊斯拉米et al。18)研究方面的影响长度直径比的动态响应fluid-conveying管道基于得票率最高梁模型。他们的研究结果表明,固有频率的增加减少内部流体速度和临界速度随长宽比的减小而减小。顾et al。19]fluid-conveying破裂管道的振动行为研究粘弹性介质包围。在他们的作品中,开放的影响裂缝参数和管道内流速剖面形状对系统固有频率和临界流速的分析调查。刘等人。20.]分析了绑定的影响方式,约束刚度、地基振动参数和结构参数对管道出口压力波动幅度。田et al。21]研究了振动特征气体压力脉动作用下管道的气柱固有频率之间的关系和订单,气体压力脉动和订单,激振力和长宽比,和管道的振动位移和速度。孟et al。22)开发了一个简单的FSI模型和内部流速的影响调查的错流涡激振动悬臂管排出液体。

根据收集到的文献,这些管道系统的耦合振动研究主要集中在开发和解决方案的数值模型、临界流速,参数共振管结构,等等。此外,纯液体通常被认为是作为研究对象,而液体含气相和固相是很少考虑23]。实际上,混合交通技术的广泛应用为多相流或客观因素的影响(如演讲液体与气体或固体杂质),实际的流体在管道总是存在一种多相流体和gas-liquid-solid三相混合流是最一般和代表在多相流。因此,本文以gas-liquid-solid三相混流为研究对象和参数的影响,包括空隙率、密度比、液相和固相之间的弹性模量比,管道系统的振动特性研究照亮进一步耦合管道的水锤问题。

2。数学模型

液压运输通常是用于运输精矿和尾矿在冶金行业以及煤炭和电力行业的煤渣。为了便于液压管道运输,减少设备的磨损,降低了输送速度,降低运营成本,良好的固体颗粒材料通常应用于维护一个甚至暂停运动湍流扩散的影响。在这样的条件下,这种gas-liquid-solid三相混流形成的固体颗粒、液体,和其他一些少量的气体混合是相对稳定的,每个阶段的浓度是均匀截面的管道。一般来说,对于这样的管道系统,流被视为均匀流或pseudo-homogenous流可以均匀流理论的基础上分析(24]。

获得一组方便FSI管路系统输送的控制方程三相流本文提到的,以下假设:(一)气相、液相和固相混合均匀,没有速度差异和没有质量交换三个阶段中绝热状态。(b)沿着管截面变化和变形小;也就是说,。(c)管壁是各向同性的材料,提出了线弹性力学行为。(d)液体闪烁不考虑水力瞬变过程中,和流体速度是一个横截面平均标量值。

因为许多管道实际上相对厚墙,例如,高压管道在化工和电力行业,通常假设的薄壁管道不采用这个研究。因此,比率壁厚pipe-radius不容忽视。基于上述假设,FSI模型可以描述以下表达式(25]: 在哪里

特征公式(1)是和它的四个不平等的真正根源 在哪里。

3所示。数值方案

水锤数值模拟的事件没有FSI,商务部一直被认为是一个优秀的数值策略。然而,对于解决FSI模型、商务部可能会引入过多的数值色散和衰减的解决方案,这将引起一个坏影响计算结果的准确性(26]。为了避免尴尬,通量向量分裂方法用于解决提出FSI模型。

使(1)通量分裂和数值离散化基于Lax-Wendroff中央差分格式和Warming-Beam逆风差分格式,这两个在时间和空间具有二阶精度27]。根据文献[28),(1)可以写成下面的不同形式: 在哪里;;为或2,,,,;为或4,,,,;,;,,,;是一个单位矩阵;功能描述如下:当的价值函数等于零;当,函数的价值等于的绝对值较小的一个和。

上述不同方案的稳定条件。这些方程是解决主题在上游和下游边界条件的管道和初始条件。对于一个管道连接到一个水库在恒定的测压管水头和一个不固定的阀的上游和下游,分别可以来源于兰金雨贡纽条件(边界条件29日]:

的上游,

为下游,

4所示。讨论了相关参数的影响

泥浆reservoir-pipeline-valve系统如图1摘要作为研究对象。管道和阀门可以在轴向方向上自由行动。以下系统的物理参数是列在表中1。

在多相流体,水作为液相,密度是1000公斤/米³和体积弹性模量等于2.14的绩点。耦合的水锤事件引起的瞬时关闭阀的下游。

4.1。空隙率的影响在管道系统的振动特性

空隙率是多相流体的最重要的参数之一。气相的体积弹性模量通常是4 ~ 6数量等级低于液相和固相。所以即使空隙率的变化很不显眼的,管道系统的振动特性影响不容忽视。假设泥浆中的固相是铁精矿、干密度的4760公斤/米³,弹性模量是105 GPa、固体微粒直径约0.071毫米,和体积浓度等于0.168。气相是气泡的体积弹性模量是获得的30.]

压力波速度的曲线与空隙率的变化如图所示2。压力波速度大幅降低的过程中空隙率从0增加到0.001。空隙率超过0.2时,压力波速度稳定倾向。考虑固耦合前后压力波速的两条曲线之间的差异是不明显的。空隙率= 0时,压力波速度没有FSI是861米/秒,超过压力波速FSI的价值,也就是说,839 m / s。应力波速度的曲线与空隙率的变化如图所示3。根据图3,压力波速的变化的趋势是相似的压力波速FSI时考虑。然而,当不考虑FSI,应力波速度是一个常数。这是由于应力波速度只与管道材料的弹性模量和密度方程没有FSI应力波速度。

压力响应在阀门和管道结构振动分析与泥浆的空隙率等于0.000035,0.00035,和0.0035,分别如图4和5。随着空隙率增加,压力和结构振动的振幅降低明显,波动频率也会降低。这种情况类似于系统引起的能量耗散结构阻尼的管道系统。所以气相可以被视为一种能量耗散的潮湿。适当增加转达了介质的空隙率可能有效地削弱流体压力的波动和管道振动的前提下维持电流模式。

4.2。密度比值的影响固相,液相管道系统的振动特性

目前,在工业生产、各种固体材料微粒可以转达了液压管道运输。进一步的调查,它可以指出密度比值的影响固相,液相(简称密度比在以下内容)在管道系统的动态行为十分引人注目。浆浓度的影响(即。,solid phase content in the fluid) on pressure wave velocity shows some obvious discrepancies because of different density ratios.

假设的内容在泥浆保持0.00035中空隙率。泥浆浓度在压力波速的影响如图所示6不同密度比率。根据图6,密度比的临界值(约1.15这个实例)。密度比小于临界值时,压力波速度将加快浆浓度的增加,而压力波速度会降低。应力波速度与密度的曲线比例如图所示7。根据图7,压力波速的变化趋势与泥浆浓度不受密度的影响比率。只有在不同密度比率,增加应力波速度变化的程度。

让泥浆浓度等于0.568和密度比率等于0.5 ~ 5.0 0.3的区间。的最大价值和虚拟价值流体压力和振动速度阀数据所示8和9。

根据数据的计算曲线8和9,流体压力的最大值和虚拟值与密度比的增加,增强和由于结耦合效应,轴向振动速度有相同的变化趋势。现象解释说,管道系统的振动程度将会随着密度的增加率提高。结合计算曲线在图6、压力波速下降是因为密度比的增加,但流体的总密度增强受益更多。单位体积流体的惯性更强和水锤压力的强度会增强相应的惯性原理的水锤。虚拟的管道振动速度值的增加程度(即。,vibration energy) is less than that of virtual values of fluid pressure (i.e., pressure energy), which indicates that the increments of systemic vibration energy mainly centralize in the slurry with the increase of density ratio. Hence the pressure energy in the slurry can get a more rapid rise.

4.3。弹性模量比值的影响固相,液相管道系统的振动特性

随着泥浆浓度的变化,不同的弹性模量比与固相液相(弹性模量比短的以下内容)可能会导致不同的转换的多相流体的整体体积弹性模量,并进一步影响压力和压力波速的变化趋势。不同弹性模量的影响在管道应力波速度如图10,实线和虚线表示密度比等于4.76或0.76,分别。根据图10,弹性模量的影响比压力波速是显而易见的,而密度比有一个速度对应力波的影响相对较小。同样存在一个临界值(约1.0这个实例)的弹性模量比。弹性模量比值小于临界值时,应力波速度与泥浆浓度的增加会减少。否则应力波与泥浆浓度的增加速度将加快。

弹性模量的影响比压力波速图所示11。提出了图,泥浆浓度的转换,压力波速的变化趋势是不受弹性模量比的变化程度压力波速度的影响。一般来说,对压力波速度的影响小于的密度比。此外,根据图11,压力波速随着弹性模量的增加比率在同一浆浓度。这是因为弹性模量比的增加可以使多相流体的总体积弹性模量增加。这意味着泥浆逐渐变得困难和弹性降低、刚度增加。因此,压力波传播速度越来越快。如果体积弹性模量的泥浆是无限的,压力波速度也会变得无限。

让泥浆浓度等于0.568和密度比等于0.76或4.76,分别。弹性模量的值0.1和50之间的分配比例。然后最大的和虚拟的压力和振动速度阀值如表所示2。

根据数据如表所示2虽然密度比需要不同的值,最大的和虚拟的泥浆压力值总是随着弹性模量的增加比率增长。但增长低。当弹性模量的比值超过一定值(约1.0这个实例),泥浆压力响应的改变程度降低并趋于稳定。由于结耦合效应,管道轴向振动速度的变化类似于泥浆压力的反应。结果表明,当砂浆的弹性下降在一定程度上与弹性模量比的增加,其对压力影响能源强度和振动管可以忽略。

5。结论

泥浆reservoir-pipeline-valve系统作为本文研究对象和多相流体的物理参数的影响对系统振动响应进行了分析。主要结论如下:(1)与空隙率的增加,压力波速度和压力迅速下降然后趋于稳定。与此同时,泥浆压力和管道振动的振幅明显下降。所以气相可以被视为一种能量耗散的潮湿。适度增加空隙率能有效削弱泥浆压力和管道振动,如果电流模式。(2)泥浆的压力波速、密度比有一个临界值。密度比小于临界值时,压力波与泥浆浓度的增加速度将增长;否则压力波速度会降低。应力波速度的变化趋势与泥浆浓度不受密度影响比率。应力波的增加程度不同密度比速度是不同的。当密度比的增加,管路系统的振动强度的增长。管道系统的振动能量的增量主要是集中在泥浆。(3)管道的应力波速度,也存在弹性模量比的临界值。弹性模量比值小于临界值时,应力波速度随泥浆浓度的增加而减小。相反,应力波速度将增长。然而,压力波速的变化趋势与泥浆浓度没有明显影响弹性模量比,只有很小的变化范围内变化的显示具有不同弹性模量的比例。弹性模量的增加提高了能源和振动强度的压力。当弹性模量比的增长在一定程度上,它对压力管道系统的能量和振动强度影响可以忽略。

命名法

:	多相流体的平均速度(米/秒)
:	压头的多相流体(m)
:	管道的轴向速度(米/秒)
:	管壁轴向正应力(Pa)
:	管壁材料的杨氏模量(Pa)
:	管材料的泊松比
:	内部管道的半径(米)
:	管壁厚度(m)
:	管壁的横截面积(m2)
:	内部管道的截面积(m2)
:	管壁材料的密度(公斤/米3)
:	重力加速度(m / s2)
:	管道的倾角(°)
:	每个阶段的密度在多相流体(公斤/米3)
:	每个阶段在多相流体的体积百分率
:	在多相流体体积弹性模量的每个阶段(Pa)
:	管道的轴向(m)
:	时间(年代)
:	摩擦系数和管壁之间的多相流体
:	压力系数
:	压力波速不FSI ()(米/秒)
:	轴向应力波速度没有FSI ()(米/秒)
:	时间步(s)
:	管元素长度(米)
:	空气的绝热指数。

标

:

时间步长数。

下标

:	网格节点数的差异,
旅客:	气相
史:	固相
李:	液相
m:	混合阶段。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认金融支持中国国家自然科学基金(批准号51604282)和重庆的基础研究和前沿技术研究计划(批准nos. cstc2016jcyjA0171和cstc2016jcyjA0095)。

引用

1. g m p . Paidoussis和李x,“管道输送流体:一个模型的动力学问题,“流体和结构》杂志上,7卷,不。2、137 - 204年,1993页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. l . x张和w·h·黄”固耦合的非线性动力学建模fluid-conveying管道,”流体力学杂志》(系列),15卷,不。1,第128 - 116页,2000。视图:谷歌学术搜索
3. d·g·戈尔曼j·m·里斯和y l .张“振动的一个灵活的管道输送粘性流体脉动流,”杂志的声音和振动,卷230,不。2、379 - 392年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. 美国。李和j .钟“新的非线性模型连续振动分析的管道输送液体,“杂志的声音和振动,卷254,不。2、313 - 325年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. f .俄梅珥、l . y .锅和b·r·李”研究瞬态横向振动的管道,”工程和应用科学杂志》上》第六卷,没有。2、114 - 121年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. d . c . Wiggert和a . s . Tijsseling”液体管道中流体瞬态和固耦合灵活,”应用力学的评论,54卷,不。5,455 - 481年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. j . Kochupillai: Ganesan, c . Padmanabhan”一个新的有限元公式基于流速对于水锤问题,“国际期刊的压力容器和管道,卷82,不。1、1 - 14,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. r . Zanganeh a艾哈迈迪,a . Keramat”固耦合与粘弹性支持在管道waterhammer期间,“流体和结构》杂志上,54卷,不。4、215 - 234年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. j . t . Ren l·林和j·s .江“行波管固耦合的方法,”中国应用力学杂志》上,22卷,不。4、530 - 535年,2005页。视图:谷歌学术搜索
10. 徐y·d·n·约翰斯顿z,焦,和a·r·普卢默”频率造型和解决固耦合在复杂的管道,”杂志的声音和振动,卷333,不。10日,2800 - 2822年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. x m .张“参数研究圆柱形管道输送流体的耦合振动波传播的方法,”电脑和结构,卷80,不。3、287 - 295年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 黄懿慧李、刘通用和j .妈,“充满液体的管道、固耦合研究”《振动与冲击卷,29号6,50-53,2010页。视图:谷歌学术搜索
13. a . Adamkowski s Henclik m . Lewandowski,“实验和数值结果的动态泊松效应对瞬变管流的影响参数,“IOP会议系列:地球和环境科学,12卷,不。1、1 - 9,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 杨和S.-J。球迷,”的影响参数对管流固政变fluid-conveying管道的振动,”《振动与冲击,30卷,不。7,210 - 213年,2011页。视图:谷歌学术搜索
15. 和s . j . h . g . m . Liu Chen Li”研究的影响蒸汽参数对管道系统的动态特性,”中国固体力学杂志》上,33卷,不。2、168 - 175年,2012页。视图:谷歌学术搜索
16. j . z林·e·t·周l . s . Du和公元前,“流体参数对振动特性的影响航空发动机液压管,”东北大学学报(自然科学),33卷,不。10日,1453 - 1456年,2012页。视图:谷歌学术搜索
17. x y l . Zhang h . Wu Yu h .曾庆红et al .,“深水立管的轴向和横向耦合振动特性与内部流动,”Procedia工程卷,126年,第264 - 260页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. 诉a·g·伊斯拉米Maleki, m . Rezaee”打开裂缝对振动的影响行为的fluid-conveying管嵌入在粘弹性介质,”拉丁美洲的《固体和结构,13卷,不。1,第154 - 136页,2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. j .古马t . m .段,“纵横比的影响的动态响应fluid-conveying管使用得票率最高的梁模型,”海洋工程卷,114年,第191 - 185页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. 刘,h·l·张,h .彭”Fluid-pipe耦合轴基础振动引起的振动特征,“《北京航空航天大学,42卷,不。3、610 - 618年,2016页。视图:谷歌学术搜索
21. j .田,c .元,l .杨c .吴g . Liu和z杨”作用下管道的振动特性分析的气体压力脉动耦合,”失效分析与预防》杂志上,16卷,不。3、499 - 505年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. 孟,h . Kajiwara w·张,“内部流影响错流涡激振动悬臂管排出液体,“海洋工程卷,137年,第128 - 120页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. 李问:p, j . m . Li锣,和l . j . Wang”管道输送流体流体结构相互作用的振动”,石油化工大学学报,23卷,不。1、60 - 65、2010页。视图:谷歌学术搜索
24. y l .周w . p .香港,b .太阳,多相流体动力学理论及其应用,科学出版社,北京,中国,第1版,2008年版。
25. m . Chen G.-W。焦、问:w .勇和j .冯”耦合研究液压gas-liquid-solid三相流管道的瞬态模型,”后勤工程大学学报,27卷,不。3 - 34,2011页。视图:谷歌学术搜索
26. r·戈梅斯•罗查de Freitas Rachid f·巴斯托斯,“固耦合的数值解Glimm管道系统的方法,”流体和结构》杂志上,28卷,不。1,第415 - 392页,2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. w·s·张,偏微分方程的有限差分方法在科学计算,高等教育出版社,北京,中国,第1版,2006年版。
28. m . Chen G.-W。娇,s。邓,黄永发。王,“通量向量分裂解耦合水力瞬变gas-liquid-solid三相流的管道,”应用数学和力学,34卷,不。7,811 - 822年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
29. X.-B。林,“广义兰金雨贡纽条件和冲击,解决方案拟线性双曲型方程组”杂志的微分方程,卷168,不。2、321 - 354年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
30. r·d·鲍w . j . Bi和l . m .唐”声发射特征气油两相管道流动,”沈阳理工学院化学杂志》上,22卷,不。3、238 - 242年,2008页。视图:谷歌学术搜索

版权

版权©2017明陈等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。