详情

原文传递管路系统流固耦合动力学计算及特性分析

论文题名：	管路系统流固耦合动力学计算及特性分析
关键词：	输流管路;流固耦合振动;传递矩阵;动力学计算;应力应变
摘要：	流固耦合振动是输流管路系统使用过程必然存在的物理现象，在一些特定条件下，考虑管路系统的流固耦合作用，对于管壁结构振动的精确计算，管内流体压力波响应特性的准确分析和管道支撑以及管路系统的安全性设计尤为重要，可以说管路流固耦合动力学计算及其特性的研究是管路系统优化设计的一个重要内容，也是船舶与海洋工程、石油能源工业、核能电力系统等与输流管路密切相关领域的一个热点问题。　　本文首先详细地综述了管路系统流固耦合计算和分析领域内的国内外研究现状及发展趋势，分析了当前研究中存在的问题，主要开展了如下内容的研究：　　一、考虑管路壁面的径向应力、应变，流体压力、流速以及重力等因素的影响，改进并完善了典型管路元件的流固耦合14方程数理模型，新模型不仅可用于常温、常压的输水管路的动力学计算，也可用于高压、高流速的厚壁动力管路的固有特性及动态响应的预报，使得新数理模型更具普适性。　　二、基于分支点处的连续条件和平衡关系，推导了可用于复杂一点分支管路（三通管，十字型分支等）和多点分支管路（沿管路系统有多个分支点）的吸收传递矩阵程式化形式，将分支管路的作用通过吸收点传递矩阵的形式整合到主管路系统的传递矩阵中，克服了管路系统总体系数矩阵的维数和形式受制于分支管路形状、数目的问题，具有较高的计算效率和灵活性。　　三、建立了管路系统无量纲流固耦合数理模型，用以研究传递矩阵方法在管路系统流固耦合分析时的计算精度，归纳得到了传递矩阵方法出现计算结果不稳定的临界判定条件，并提出通过管路分段计算的方法，解决了计算不稳定的问题。　　四、探索性地建立了管壁振动与流体压力脉动间的传递与转换关系式，可用于压力管道中阀门管内噪声的无损伤测量，并通过实验，验证了其可行性。该预测方法测量和计算过程简单，且具有较高的预测精度，尤其是在1/3倍频程分析和总噪声级预测时可靠度更高。　　五、建立了管道常见附件如变径管、集中质量的传递矩阵，并提出了挠性接管和阀门等复杂结构的流固耦合模型的理论结合试验的建模方法；建立了可用于模拟管道及流体复杂边界条件的数理模型；实现了常见管道结构形式，如直管、弯管、分支管道与复杂边界条件任意组合而成的复杂空间管路系统的固有特性及其流固耦合振动响应的计算；通过实验和仿真计算，验证了本文计算模型和计算方法的正确性。　　六、基于改进后的模型和计算方法，系统、深入地分析了流体、结构参数，边界条件等因素对管路系统流固耦合振动特性的影响，并借助无量纲分析手段，得到了若干具有普适性的重要结论。　　本文的研究成果可为国内外其他同行提供参考。
作者：	李帅军
专业：	轮机工程
导师：	柳贡民
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文