管道内旋转细长梁固液耦合动力学分析

论文摘要

管道内旋转细长梁是化工机械、石油钻采工程中的特有结构,开展旋转细长梁固液耦合动力学分析方法研究,对细长梁结构优化设计、工艺参数优选等技术发展具有重要意义。旋转细长梁与不同环空间隙的管道内壁产生多向碰撞接触,同时空心旋转细长梁内部以及外部环空有流体作用,构成一个复杂的非线性固液耦合系统。因此,本文首先采用动力间隙元和空间梁单元、Newmark积分法,对管道内旋转细长梁进行碰撞接触动力学分析计算,得到时间步长、积分常数等参数对细长梁动力学分析结果的影响。其次,建立了不同偏心情况下环空流体力学分析的三维数值模型,揭示了偏心环空流体流动特性及界面力随转速和偏心度的变化规律;在偏心度大于0.8时,轴向等截面偏心环空螺旋流的界面力能阻止其偏心。然后,设计和建立了管道内旋转细长梁固液耦合模拟实验装置,实验研究了转速和流量对旋转细长梁运动状态的影响规律,以及旋转细长梁与管内外螺旋流体的固液耦合效果。最后将旋转细长梁沿轴线离散为若干个梁单元,管道和环空流体分别离散为若干个等长度的三维管道流体段和任意偏心环空流体段,每个流体段又被离散为四面体或六面体网格,建立了管道内旋转细长梁固液耦合动力学分析的三维数值模型;将结构动力学方程、流体连续方程和动量方程耦合,推导了界面力、界面位移的计算公式、迭代格式及收敛准则,建立了管道内旋转细长梁固液耦合动力学分析方法。为了解决管道和环空螺旋流体离散单元多、PC机无法计算的问题,提出了管道和环空流体特性描述数据库,该数据库能够自动记录和提取不同流体段、不同工艺参数下的流体分析结果;根据上述模型和理论,编制了管道内旋转细长梁固液耦合动力学计算程序,通过算例表明了固液耦合效果,且数值计算结果与实验结果基本吻合,验证了固液耦合理论方法的正确性。本文研究成果可为化工机械中的细长旋转轴和搅拌轴、石油钻采工程中的抽油杆柱和钻柱的固液耦合分析提供了理论基础和计算方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 管道内旋转细长梁力学分析研究现状
• 1.2.1 转子动力学研究现状
• 1.2.2 钻柱力学分析研究现状
• 1.2.3 螺杆泵抽油杆柱力学分析研究现状
• 1.2.4 管道与环空流体力学研究现状
• 1.2.5 流固耦合研究进展
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 管道内旋转细长梁碰撞接触力学分析
• 2.1 管道内旋转细长梁碰撞接触动力学分析方法
• 2.1.1 管道内旋转细长梁碰撞接触力学模型
• 2.1.2 管道内旋转细长梁碰撞接触分析的动力间隙元法
• 2.2 旋转细长梁动力学分析中关键参数分析
• 2.2.1 时间步长对细长梁动力学分析的影响
• 2.2.2 积分常数对细长梁动力学分析的影响
• 2.2.3 梁长对细长梁动力学分析的影响
• 2.3 旋转细长梁动力学分析方法的工程应用
• 2.4 小结
• 第3章 管道流体和偏心环空流体的流动特性分析
• 3.1 管道流体和偏心环空流体力学分析方法
• 3.1.1 流体动力学基本控制方程
• 3.1.2 管道流体和偏心环空流体螺旋流基本控制方程
• 3.1.3 管道流体和同心环空流体螺旋流的解析解
• 3.1.4 管道流体和偏心环空流体螺旋流的数值计算方法
• 3.2 管道和同心环空流体螺旋流数值分析
• 3.2.1 管道内牛顿流体螺旋流数值分析
• 3.2.2 同心环空牛顿流体螺旋流数值分析
• 3.2.3 同心环空幂律流体螺旋流数值分析
• 3.3 环空流体螺旋流数值分析建模技术研究
• 3.3.1 单元离散精度研究
• 3.3.2 单元类型选择研究
• 3.3.3 模型几何长度对计算结果的影响
• 3.4 偏心环空流体螺旋流数值分析及界面力研究
• 3.4.1 轴向等截面偏心环空牛顿流体螺旋流数值分析
• 3.4.2 轴向变截面偏心环空牛顿流体螺旋流数值分析
• 3.4.3 轴向变截面偏心环空幂律流体螺旋流数值分析
• 3.5 小结
• 第4章 管道内旋转细长梁固液耦合系统模拟实验研究
• 4.1 模拟实验装置
• 4.2 实验过程及方案
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 流体对管道内旋转细长梁运动状态的影响
• 4.3.2 转速对管道内旋转细长梁运动状态的影响
• 4.3.3 流量对管道内旋转细长梁运动状态的影响
• 4.4 小结
• 第5章 管道内旋转细长梁固液耦合动力学分析
• 5.1 管道内旋转细长梁固液耦合理论
• 5.1.1 模型建立
• 5.1.2 界面信息传递
• 5.1.3 耦合方程建立
• 5.2 管道内旋转细长梁固液耦合程序及计算格式
• 5.3 管道内旋转细长梁固液耦合计算结果及分析
• 5.3.1 管道内旋转细长梁固液耦合数值模拟
• 5.3.2 管道内旋转细长梁固液耦合数值解与实验结果比较
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要