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原文传递弯管内流体压力载荷分布及其影响因素的数值模拟研究

论文题名：	弯管内流体压力载荷分布及其影响因素的数值模拟研究
关键词：	弯管;流体压力;数值模拟;计算流体力学;载荷分布
摘要：	弯管结构作为管道系统的薄弱环节，其安全状况和强度可靠性受到越来越多的关注。现行的弯管结构设计和强度分析方法，都将弯管结构近似地看作承受均匀内压载荷作用的容器从而等同于直管来进行处理，真实工况下弯管受到输送流体作用而导致的压力载荷不均匀性一直没有被人们所考虑。这种对弯管受力分析的近似处理当管道设计安全系数较大，介质压力、介质温度等输送参数需求较低时，能够满足工程上的要求。但随着工厂输送参数的提高及运行工况的苛刻，弯管处压力载荷的不均匀性加剧了弯管位置的应力集中程度，弯管局部强度不足、易发生破坏失效等问题就愈见明显。因此，对弯管进行准确的受力载荷分析便成为了弯管结构设计和强度可靠性分析的重要前提。本文以计算流体力学(CFD)方法为基础，采用流体仿真软件FLUENT程序为计算平台，从研究弯管内的介质流动角度出发，对典型工况的弯管内湍流流场进行了计算流体力学数值计算，重点分析和研究了流体作用下弯管壁面流体压力载荷的分布规律，给出了描述这些规律的数学模型，并进一步讨论了输送参数(流体流速v、流动雷诺数Re)和弯管几何参数(弯曲半径R、管径D、弯曲角0)对弯管内流体压力载荷分布的影响规律。研究的目的旨在通过分析真实状态下弯管内流体压力载荷的分布规律，为弯管的结构设计、强度计算提供准确的力学分析基础和工程估算的经验公式，同时结合相关参数对弯管所受流体压力载荷的影响，对实际工程中弯管结构设计和安全分析给出指导性的建议，本文得出的主要结论如下： 1．由于输送流体的作用，真实工作状态下弯管内的压力载荷分布表现出了不均匀性，输送介质对弯管凸边壁面产生较大冲击，此处所受压力载荷较大，大量的弯管破坏事故也表明，弯管的失效大都发生于其凸边壁面位置，传统的将弯管结构看作承受均匀内压作用的近似处理表现出了不合理性，因此在考虑输送参数要求高、工况较为苛刻的管道设计和强度分析时，弯管内流体压力载荷的不均匀性必须予以考虑。 2．工程中常见的90度弯管结构，流体压力载荷最大值出现在约轴向角度30度的凸边壁面位置，最小值出现在约轴向角度50度的凹边壁面位置；凸、凹边流体压力差最大值位置在轴向角度45度位置，因此在弯管的强度计算以及管道安全检测时，上述的几个特征截面位置应当予以重点的关注。 3．对弯管内流体压力载荷的分布规律进行了数值分析，给出了弯管内流体压力载荷沿弯管轴向和截面周向分布规律的曲线拟合方程，数值分析结果可以作为弯管强度分析和结构设计的基础性数据。 4．在影响弯管内流体压力载荷分布的典型参数中，输送介质的流速v、弯管弯曲半径R、弯管弯曲角为敏感参数，它们对弯管的受力状态影响较大，其中流速v对弯管内流体压力载荷的影响作用仅表现在数值上的差异，而弯曲半径及弯曲角的改变则使得流体压力特征值的位置也发生变化； 5．介质流速v的增大、弯管弯曲半径R的减小和弯管弯曲角的增大均造成了弯管凸边壁面流体压力载荷的增大，因此在弯管的结构设计和强度计算时，应当充分考虑以上敏感参数的变化对弯管所受压力载荷的影响作用，当进行管道系统的设计工作时，在条件允许的条件下，应尽可能采用较大弯曲半径和较小弯曲角的弯管结构，一方面提高了管道系统的安全性能，另一方面减少管道在输送工程中的能量损失，提高了输送能力。 6．本文采用的计算流体力学(CFD)方法，使研究者能从繁琐的N-S方程的理论求解中解脱出来，同时克服了真实试验研究经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长的困难，极大地提高工作效率。以FLUENT程序为计算平台，可以充分发挥其3D实体造型、流体动力学数值计算、计算结果图形化等优点，能够直观地得到输送介质流经弯管时的速度场、压力场分布情况。本文所采用的计算流体力学(CFD)技术为此类流体机械的研究提供一条值得探索的途径。基于真实工况下弯管所受流体压力载荷的分布规律，承受不均匀内压作用的弯管管壁应力分布状态和强度分析计算是下一步要进行的工作，同时在强度理论的基础上，对弯管结构进行合理的优化设计(如壁厚设计)以及相应的加工制造工艺也是下一步的研究方向。
作者：	张学军
专业：	材料加工工程
导师：	鹿晓阳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文