流体压力对液压管路流固耦合振动特性的影响研究

针对流体动力传输系统高压大流量化发展趋势下的管路系统流固耦合振动问题,建立了考虑摩擦效应的管路流固耦合振动14-方程传递矩阵模型,分别对两端固支液压直管和某型飞机翼尖弯曲管路的流固耦合振动特性进行了研究。提出了考虑摩擦项时流固耦合14-方程传递矩阵模型精确数值解法,分析了流体压力对管路流固耦合动力学行为的影响,搭建了液压管路流固耦合振动实验台,在不同压力下测试了管路的轴向速度响应,其结果与数值分析间的误差小于10%,验证了数值求解方法的正确性。研究结果表明:压力对管路振动特性影响较小,有利于叠加载荷作用下复杂液压管路流固耦合动力学行为的研究。     

流固耦合对油气井管柱振动特性的影响分析

以油气井管柱为例,分析了流固耦合作用对管柱振动特性的影响。首先建立了有无流固耦合管柱振动方程,阐述了考虑流固耦合对管柱振动特性分析的重要性。再应用ANSYS Workbench软件建立有无流固耦合管柱三维有限元模型,运用Modal分析模块分析了空管柱、气固耦合管柱、液固耦合管柱三种情况下管柱的固有频率与振型等振动特性。与无流固耦合管柱振动特性对比表明:考虑流固耦合作用时管柱固有频率小于无流固耦合时空管柱的固有频率;与气固耦合相比较,液固耦合时管柱固有频率降低量更大,高达13%;管柱固有频率基本随阶数呈平方关系增长;管柱各阶固有频率均随管柱长度的增加而非线性下降;流固耦合作用对管柱的振型几乎没有影响。流固耦合作用影响管柱的固有频率,尤其是内部流体密度很大时,这种影响更不能忽略。考虑流固耦合作用下管柱振动特性的分析为管柱动力学分析提供了依据,也可为避免结构的共振提供参考。     

输气管道气固耦合振动特性分析

针对管道振动情况的研究,提出考虑气体压力脉动与管道耦合作用下的管道振动特性分析的计算模型与计算方法。根据管道结构建立了具有异径管活塞式压缩机的输气管道模型,在该模型的基础上,结合管道结构参数,建立管道系统气柱固有频率、气体压力脉动、激振力的计算方法,通过这些计算方法得出气柱固有频率、气体压力脉动与模态阶次之间的关系,以及异径管处的激振力与宽径比之间的关系;得出在激振力作用下,管道振动位移、速度的变化情况。将计算结果与现场测试值进行对比,发现计算值与测试值基本吻合,验证了计算模型与方法的正确性。研究结果表明:在异径管、弯管、汇流管等处,将压力脉动与管道的耦合作用考虑进管道振动研究分析中,更能真实地反映输气管道的振动特性,对提高管道寿命、减少管道振动具有重要的参考价值。     

液压管路流固耦合振动机理及控制研究现状与发展

液压管路系统由于存在多物理场、多尺度及流固耦合非线性等特性,因此其振动特性复杂,且危害很大。又由于工业生产的需求,液压系统正逐步向高压高速和高功重比方向发展,又使得液压管路振动的产生和传播机理变得更为复杂。因此有必要对液压管路的振动机理和控制方法及其研究现状进行总结和分析。阐述液压管路振动的危害性和复杂性,并结合近十年来国内外专家学者对于液压管路振动模型的研究内容,在对考虑多场、多尺度及流固耦合因素影响的液压管路振动机理进行总结的基础上,对液压管路流固耦合线性化动力学模型和非线性振动模型的研究成果进行分析,并对液压管路被动、主动及半主动振动控制的研究进展及研究成果进行评述,在此基础上提出今后液压管路系统流固耦合振动机理及振动控制研究的发展趋势。     

充液周期管路的轴向振动带隙特性

充液管路的固液耦合振动广泛存在于各种工程领域中,对其振动控制进行研究具有重要意义。将声子晶体思想引入到管路结构设计中,将管壁设计成周期性结构,可以利用带隙特性实现管路的振动控制。利用平面波展开法,计算固液耦合条件下的周期管路结构轴向振动能带结构。计算表明,周期管路结构的轴向振动存在振动带隙,液体耦合效应使振动带隙的频率范围降低。同时分析泊松耦合、管壁厚度等因素对带隙频率范围和宽度的影响。充液周期管路结构的振动带隙特性为管路的振动控制提供了一条新的技术途径。     

航空管路块卡离散化模型分析及其对管系振动特性的影响研究

针对航空液压管路在高速高压化发展趋势下谐振失稳现象日益严重的问题,对航空液压管路支撑参数变化引起的管路振动固有特性改变进行了研究。针对多支撑航空液压管系中常见的P卡及块卡等支撑元件,将其对管路的约束作用进行了离散,建立了管路支撑的离散化模型,进一步在ANSYS软件平台中搭建了一段航空液压管系的有限元模型,分别改变支撑数量、支撑位置、支撑刚度和预紧力,分析了参数变化对管系振动特性的影响,得到了支撑参数对管系振动特性的作用规律。研究结果表明,支撑参数对管路振动固有特性的影响具有一定规律,通过改变支撑参数从而避免管路谐振失稳的方法是可行、有效的。     

广义边界下含双相流水平井钻柱频率特性分析

钻柱在内流作用和旋转因素的影响下容易产生耦合振动,发生疲劳失效。本文基于微分求积法（DQM）对含双相流水平井钻柱耦合动力学特性进行了研究。利用扩展的Hamilton变分原理建立了计入内流、轴向压力及旋转等因素影响的水平井钻柱动力学方程。在振动问题中考虑了广义边界条件,通过改变边界等效弹簧刚度将模型简化为简支、悬臂等简单边界条件模型进行研究。通过分析旋转角速度、轴向压力、液相流速、气体体积分数等因素对模型频率特性的影响,得到了无量纲固有频率随不同参数变化的特征曲线。分析结果表明：不同边界条件下模型的频率特性曲线有很大的差别;气体体积分数对临界流速的影响在悬臂管系统中表现的更为明显;在简支管模型中,随着轴力的增大会产生模态耦合颤振。此外,通过液相流速和旋转角速度的频率云图展示了两种因素对钻柱频率特性的影响。     

充液管道中弯头流固耦合振动分析数学建模研究

基于特征线14方程模型,对充液管路系统中弯头处的流固耦合进行了建模研究,得出了弯头处的平衡方程,通过C++软件开发管道流固耦合时域响应计算程序,结合文献算例验证了建模的正确性,研究了弯头对管道流固耦合振动特性的影响。结果表明,和直管相比,弯接头的存在能够降低流固耦合作用中流体压力和管道所受轴向应力脉动的峰值;弯头角度为90°时,弯头处流体压力脉动以及管道轴向应力脉动的峰值最小。     

仿生液压管路双向流固耦合机理及脉动吸收研究

高速高压化导致液压泵口流量压力脉动加剧,其振动控制尤为重要。借鉴“猎豹心脏出口血管能耐受高压高频血液脉动”的生物学机理和结构,提出一种具有3层结构的仿生管路,其外层为钢管,中层为硅橡胶,内层涂有减摩材料。针对仿生管路的中层,考虑硅胶材料非线性,对比分析国内外已有的硅胶材料数学模型后,选用Mooney-Rivlin模型描述硅胶材料,其模型参数由拉伸实验确定;然后,结合硅胶材料模型,对液压管路流固耦合14-方程进行修正;最后,采用ANSYS Workbench软件分别对不同管路长度和硅胶层厚度的仿生管路进行双向流固耦合仿真。数值分析结果表明,随着管路长度和硅胶层厚度的增加,仿生管路对流量脉动吸收效果不断增强。     

两端固支输流管道流固耦合振动的稳定性分析

根据Hamilton变分原理,建立了两端固支管道流固耦合振动的控制方程,用幂级数近似管道的振型函数,求得了方程的解析解,推导了管道固有频率、临界流速、临界压力的计算方法。最后,应用本文推导的计算方法,对一段典型飞机发动机输油管道进行了计算分析,研究了前两阶固有频率,临界流速、临界压力与流体压力、流速、管道固支长度之间的关系。     

超(超)临界疏水阀开阀水锤及管道振动

针对超(超)临界疏水阀开阀水锤及阀后管道振动问题,运用充液管道振动分析的流固耦合理论及特征线法,建立开阀水锤及管道振动的数学模型,求解得到疏水阀在不同流量特性及不同套筒层数下阀开启时水锤压力、流体流速、管道轴向内力和管道振速的时域曲线。研究结果表明:水锤压力取决于流体的流速与压力相互作用,管道内力受水锤压力影响较大,局部受管道振速影响;额定流量恒定时,线性流量特性下水锤峰值压力明显小于快开特性,流速大于等百分比特性,超(超)临界疏水阀宜选用线性流量特性;随着套筒层数增加,水锤压力峰值和管道轴向内力峰值减小,但开阀初始阶段流速波动和管道振动增加。     

液压支架供液系统压力波动特性分析

为提高综采工作面支架各执行机构的精确控制,以支架供液系统压力波动特性为研究起点,基于卸荷阀压力控制原理,利用SimulationX建立了支架供液系统的机液联合仿真模型。通过仿真供液流量、管路长度和支架典型动作过程,分析总结了在支架不同动作模式下的压力波动规律,并通过井下实测压力数据和搭建实验平台进行验证。结果表明:支架不动作时,压力波动在卸载阀调定范围内波动;频率受泄漏孔和管路长度影响较大,受供液流量影响较小;支架动作时,降柱压力波动最大,卸荷阀频繁开启;升柱用液量最大,系统压力下降到最低。     

Causal analysis of natural gas station pipelines vibration and reduction measures

The existing studies on the strong vibration problem of the outbound process pipeline of a natural gas transfer station focus on the pipeline process with a compressor. This work proposes a structural innovation to eliminate the pipeline vibration without compressor by experiment and numerical simulation. A simulation model was established based on the physical dimensions. Hammer test and finite element method validated the proposed model for natural gas stations pipelines. It was found that in branch 1 and 2 occur the first two coupled modes. In addition, three kinds of vibration reduction schemes, such as increasing sleeve and increasing pipe diameter, are proposed to increase the pipe rigidity and reduce the excitation force to control the vibration. It is revealed that adding sleeves to the branch pipes 1 and 2 can better suppress pipe vibration by referring to related evaluation standards. This case shows that performing variable-condition vibration testing and spectrum characteristics analysis of pipelines can easily reveal the main vibration sources and provide solutions for pipeline vibration reduction treatment.

     

压力管道漏损探测系统设计与应用

地下压力管道敷设在地下具有隐蔽性,由于管网材料、施工、使用、运行、外部环境、管理等因素,造成管网漏损现象非常普遍。查找压力管道漏点位置主要采用听漏判别法,通过对不同漏点的声音进行判别,从而确定漏点的位置。该文通过设计一套压力管道漏损探测系统,在管道组不同子管路上模拟漏水点,且在子管路上迅速切换,以分辨和掌握不同管材、管径、流速的漏点声音特质;通过各种阀门的开闭来模拟漏水点;最后通过对压力管道漏损量计算,检验系统的可行性。     

An experimental study on characteristics of two-phase flows in vertical pipe

The characteristics of two-phase flow in a vertical pipe are investigated to provide information for understanding the excitation mechanisms of flow-induced vibration. An analytical model for two-phase flow in a pipe was developed by Sim et al. (2005), based on a power law for the distributions of flow parameters across the pipe diameter, such as gas velocity, liquid velocity and void fraction. An experimental study was undertaken to verify the model. The unsteady momentum flux impinging on a ‘turning tee’ (or a ‘circular plate’) has been measured at the exit of the pipe, using a force sensor. From the measured data, especially for slug flow, the predominant frequency and the RMS value of the unsteady momentum flux have been evaluated. It is found that the analytical method, given by Sim et al. for slug flow, can be used to predict the momentum flux.     

Calculating the reliability of a straight line segment of a gas pipeline under crack-like defects

In the framework of the random number theory, a mathematical model describing gas pipeline nonfailure reliability according to crack growth resistance criterion when the crack resistance of the pipe steel, the operation pressure of the cargo gas, the diameter and wall thickness of the pipe, the Poisson ratio, the linear expansion coefficient of the pipe metal, the Young modulus, and the temperature drop through the wall are all distributed according to the normal distribution law, has been obtained. The permissible value of the mathematical expectation of the longitudinal crack length has been found under which the standard reliability and safe operation of a defect segment of a gas pipeline is guaranteed.     

A numerical study on the characteristics of transient flow in a pressure regulator resulting from closure of the pressure control valve

This study investigates characteristics of transient flow and the possibility of freezing in a pressure regulator and the rear connecting pipe of the pressure regulator during the closing process of the pressure control valve (PCV), which is an essential element in the operation of a natural gas pipeline network. For this purpose, the study develops a numerical model for the PCV and its rear connecting pipe by applying computational fluid dynamics method. The analysis is conducted in each of two cases: (1) a steady-state analysis in the case of normal operation and (2) an unsteady-state analysis in the case of emergency closure in problematic situations. First, we closely examine characteristics of internal flow in the pressure regulator and the rear connecting pipe when the PCV operates regularly with a 50% opening ratio in a steady state. Afterwards, unsteady-state analysis examines characteristics of transient flow, such as lowered pressure and temperature, velocity change, etc., of rear flow in the pressure regulator when the PCV is closed because of trouble in the pressure control system.