弯曲柔性立管段塞流致振动实验研究

随着深海战略的推进,海洋油气开采向深海挺进,越来越多的海洋立管投入使用.因油气输量的变化及海底地形起伏的影响,立管中经常出现气液两相段塞流,段塞流动的周期性变化使立管受到不稳定的流体力作用从而激发振动,造成立管的疲劳损伤.本文在气液两相流循环实验系统中开展了水动力段塞流诱导的悬链线型柔性立管振动响应测试,利用高速摄像非介入测试方法同步捕捉了柔性立管的振动位移与管内的段塞流动细节,研究了气液混合流速和气液比两个流动参数对柔性立管振动响应的影响,分析了振幅与振频的时空分布、管内液塞长度、压力波动的变化规律及它们间的内在联系.发现固定气液比时,随着混合流速的增大,柔性立管的振幅逐渐增大,但振动模态始终由一阶主导.液塞长度随混合流速的增大变化不明显,但压力波动随混合流速的增大愈发剧烈.固定气液混合流速时,随着气液比的增大,立管振幅逐渐增大,气塞和液塞长度也逐渐增大,进出口压差波动加剧,但压差平均值逐渐减小.     

外流作用下管道流固耦合非线性动力学研究进展

管道广泛应用于海洋、核电以及航空航天等重大工程中,是采油平台、蒸汽发生器等重要工程装备的关键结构之一.当有外部流体经过时,管道会发生流固耦合振动行为,是导致重大装备振动破坏和失效的重要原因之一,已成为重大工程设计必须解决的关键问题.本文针对外流作用下柔性管道流固耦合非线性动力学机理这一科学问题,梳理了国内外学者的重要研究成果,重点分析了柔性管道分别在横向外流和轴向外流作用下的流固耦合非线性振动行为.从实验研究、仿真分析和理论建模等方面进行了深入地探讨,揭示了外部流体对管道动力学行为的影响机制.最后,对当前国内外研究现状进行了简要的总结,并给出了这一研究仍存在的难点与挑战.     

基于多物理场的管道强度与模态分析(三)管道的流固耦合模态分析

由于流体作用而引起管道的冲击振动,对其可靠性和安全性具有重大影响。本文对充液管道的流固耦合模态进行了分析,并研究了壁厚和管径对管道固有频率的影响,为管道的设计和安全评价提供参考依据。     

旋转Timoshenko输流管道的固有频率和稳定性分析

基于Timoshenko梁模型,本文研究了旋转输流管道在自由振动状态下的流固耦合振动特性.考虑流体压力、重力、初始轴应力作用,基于Hamilton原理和欧拉角转换,推导得到了旋转Timoshenko输流管道的偏微分方程.根据Galerkin截断法将运动方程进行离散,通过求解系统的特征方程即可得到输流管一阶复频率的实部和虚部,实部代表固有频率,虚部代表能量变化.在流速较高时,研究发现必须考虑4阶及以上Galerkin截断,才能得到稳定的结果.通过与EulerBernoulli梁模型对比,验证了本文的结果正确性.研究发现针对短粗型管道,Timoshenko梁模型更加精确.此外研究了多种参数对旋转Timoshenko输流管道固有频率和振动稳定性的影响.研究结果表明质量比、流速、剪切系数对Timoshenko输流管道流固耦合振动的稳定性影响显著,而转动惯量、重力、流体压力和初始轴应力在一定程度上也会影响管道振动的频率和稳定性.转速的出现将管道频率分为两个量值,但转速并不影响系统能量变化.     

基于ANSYS-CFX的簧片哨流固耦合特性研究

在流体动力式声波发生器簧片哨工作状态下,研究喷射流喷击簧片的流固耦合过程。首先,根据流固耦合分离解法分别建立流体、固体的运动方程,并建立湍流模型。其次,建立仿真模型,并设置边界条件。最后,利用ANSYS-CFX双向流固耦合法计算簧片的动态特性:簧片振动的频率、幅值,簧片与水的瞬态耦合,以及簧片周围的流场变化。计算结果表明此簧片哨在工作状态下,其簧片做低幅、低频振动。     

流固耦合动力学与控制专题序

围绕管道流固耦合振动建模理论与方法、流致振动与控制、涡激振动抑制等研究主题,本专刊介绍了流固耦合动力学与控制领域的一些研究成果.     

应用弯头测量气液两相流的流量及组分

应用弯头测量管道中流体的流量早在30年代就开展了这方面的研究工作。这种测量方法的优点不需专用的测量元件,应用被测管道的弯头即可进行测量且不增加流体的流动阻力。至今,在应用弯头测量单相流体流量方面已发表了许多论文。但是,应用这种测量方法测量气液两相流体流量的研究工作几乎尚未开展。本文以水和空气混合物为工质,用页90°弯头进行了气液两相流体流量的函试研究,并在试验基础上用气液两相流体的匀相模型导出了以弯头测量气液两相流体流量和各相组分的计算式。     

水平管气液两相流涡街的动力学特性分析

针对水平管气液两相流涡街信号,采用HHT方法对其进行分解,得到信号各固有模态分量IMF,并对其进行傅里叶变换,计算各IMF的能量大小及所占比例来区分涡街信号成份.提出了以涡街信号所占能量比达到60％作为判断涡街脱落稳定的标准.实验结果表明,利用HHT方法对气液两相流钝体绕流信号进行分解,并通过所得IMF的能量比能有效地对涡街脱落的稳定性进行判别.最后分析了不同流动状况下流体绕钝体流动的机理及其动力学特性的区别.     

利用科氏流量计测量凝析天然气的气液流量

通过研究基于科氏流量计的气液两相流计量技术,提出了科氏流量计的凝析天然气测量模型.该模型较好地表征了科氏流量计的振动频率与阻尼系数的变化规律、振动管与两相流体之间的相对运动关系等.利用E+H公司的微弯科氏流量计开展了一系列试验研究,并结合试验结果对流量计的参数波动特性、安装形式、两相混合物密度测量和质量流量测量等问题进行了深入分析.分析结果为利用科氏流量计实现凝析天然气的高精度计量奠定了基础.     

PIV应用于气液两相流的研究现状

作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量技术,粒子图像测速(PIV)技术近年来在单相流和多相流领域得到了广泛的应用.对于气液两相流PIV技术,目前还处于起步与发展阶段.着重概述了两相示踪粒子的采样技术,并对近年来国外PIV技术在气液两相流动领域中的研究现状做了总结与分析,指出PIV技术在气液两相流体特性研究中具有很好的应用前景.     

基于丝网传感器的气水两相流流型转换测量

两相流流型有助于两相流体结构与运动规律的研究,是开展气水两相流研究的基础。为了探究各种流型之间转换过程中的流体动力学现象,利用丝网传感器(Wire Mesh Sensor,WMS)通过对50 mm内径的垂直管道不同流动条件下各种流动形态的空隙率、气泡分布及其变化过程成像测量表明在水相表观流速不变,气相表观流速增加的条件下,从泡状流到弹状流过渡过程中,均匀分布的离散小气泡密度逐渐增加,管道中心气泡浓度逐渐高于管壁,管道中心小气泡开始碰撞聚合形成大气泡;随着水相表观流速减小,进一步增加气相表观流速,弹状大气泡破裂成若干不规则气泡,向下一个流型过渡。     

A direct numerical simulation of axisymmetric cryogenic two-phase flows in a pipe with phase change

An accurate finite-volume based numerical method for the simulation of a cryogenic two-phase flow with phase change heat transfer, consisting of a saturated liquid slug translating in its own superheated vapor in a circular pipe is presented. This method is built on a sharp interface concept and developed on an Eulerian Cartesian fixed-grid with a cut-cell scheme and marker points to track the moving interface. The unsteady, axisymmetric Navier–Stokes equations in both liquid and vapor phases are solved separately. The mass continuity, momentum flux conditions and conservation of energy are explicitly matched at the true boundary between the two phases to determine the interface shape and movement. A quadratic curve fitting algorithm with marker points is used to yield smooth and accurate information of the interface curvatures.It is uniquely demonstrated for the first time with the current method that conservation of mass is strictly enforced for continuous infusion of flow into the domain of computation. The method has been used to compute the velocity, pressure and temperature fields and the deformation of the liquid core. It is also shown that the current method is capable of producing accurate results for a wide range of Reynolds number, Re, Weber number, We, Jakob number, Ja and large property jumps at the interface.     

弹状流工况下的气液两相流双参数测量

由于两相流动的复杂性,利用实验测量手段实现两相流的准确测量成为目前研究的热点.在弹状流流型的工况条件下选取了30个实验点,利用新型气液两相流检测装置进行测量实验,结果表明:液相含率测量相对误差在4.3％以内,总流量测量相对误差在1.6％以内,为气液两相流双参数测量研究提供了一种新的思路.     

气液两相流电导传感器测量波动信号的Wigner-Ville分析

流型是两相流中非常重要的流动参量,不同流型下的两相流流动特性及传热传质性能有很大不同。流型也严重影响着两相流参数测量的准确性。利用新近研制的两相流电导传感器,在垂直上升气液两相流管中采集了不同流型下的电导波动信号,采用W igner-V ille分布(WVD)在时频域内处理了电导波动信号,观察到了WVD特征与流型之间的关系,取得了较好的气液两相流流型辨识效果。     

两端固定输流管振动实验研究

通过实验的方法对简谐激励和脉动流作用下的两端固定输流管的动力学行为进行振动测试分析.设计并制作了两端固定输流管的振动实验装置,为确保实验结果翔实可靠,选取三种不同材料的管分别进行了三次实验,研究了管内流体流速、激振力振幅和脉动流频率对两端固定输流管振动特性的影响.结果表明,流体流速和激振力幅值对两端固定输流管的一阶共振特性和振动幅值有着显著影响,在脉动流作用下,两端固定输流管存在混沌运动,并且随着脉动频率的增大,管道平均振幅减小.     

Two-phase simulations of micro heat pipes

A two-phase model of a single micro heat pipe (MHP) and a three-dimensional network of microchannels were simulated using the finite element method. Investigation on the convergence of the models demonstrated that models with higher thermal gradient showed fluctuation with higher amplitude. Furthermore, phase change phenomenon and accumulation of the liquid phase in the sharp corners of the micro heat pipe were modelled. The effective thermal conductivity, pressure and velocity field for both phases along the length of the micro heat pipe were calculated and compared to the literature. In addition, the overloading conditions were simulated and an effective length was defined for the micro heat pipe. Consequently, the influence of liquid filling ratio on the effective length of micro heat pipe was investigated. Finally, a three-dimensional network of microchannels with two-phase flow was simulated where the circulation of the two phases was captured.     

压气机叶片流固耦合共振判断和谐响应分析

针对气流扰动引起的压气机叶片振动问题,以整体式轴流压气机叶片为研究对象,借助ANSYS Workbench软件的BladeGen模块对叶片及其流场进行三维建模,然后进行流固耦合分析。求解叶片的压力、应变和前6阶模态振型,绘制坎贝尔图并对叶片进行谐响应分析,结果发现该叶片不会发生共振破坏,但是叶尖尾缘变形和振动较明显,而叶片前缘变形和振动很小。在气体流量不变的情况下,对叶片前缘和尾缘采用变半径设计,可有效提高固有频率、削弱振动。