水流作用下含裂纹悬空管道数值分析

论文摘要

管道运输是五大运输方式之一,在世界范围内都得到了广泛的应用与发展,而且油气管道一直是世界经济的大动脉。随着社会经济的不断发展,输油管道这种输送方式,成了各个国家生命线工程中的重要组成部分。然而,管线在带给人们方便和快捷的同时,由于管线老化等多种原因,导致因裂纹等缺陷引发的恶性安全事故时有发生,造成巨大损失,同时给经济的发展,社会和财产安全,生态环境带来巨大影响。我国穿越河流的输油管道在长距离输油管道工程中占相当比例。早期铺设的原油管线大部分已运行三十年左右,而且还在担负重要任务。再者当时的穿越多数采取大开挖的方法,有些未达到设计深度,再加上多年的冲刷和枯水季老百姓取土,很多管线已外露。这类管道在水流作用下,可能因冲刷而形成悬跨。管道悬跨段由于没有土壤约束,在水流尾流旋涡的作用下易产生振动。若管道存在缺陷,其承压能力会下降,再加上旋涡引起的疲劳载荷,在服役中会导致其突然失效,影响正常生产、带来环境污染,给国民经济造成巨大损失。本文针对上述问题,对水流作用下悬空管道绕流场进行数值分析。并在此基础上,研究含裂纹缺陷悬空管道在多种载荷联合作用下缺陷处的应力和管道疲劳循环次数。主要内容如下:1、高雷诺数下管道绕流特性及绕流机理研究水下管道形成悬跨后,在一定流速时,管道后面旋涡泄放频率可能接近管道的自振频率,从而出现垂直于水流的类似共振现象,并导致沿水流方向的振动和拖曳力的增大。管道两个方向的振动可产生很大的交变应力,使管道发生疲劳破坏。2、高雷诺数下静止管道绕流数值分析根据流体力学和计算流体力学理论,研究高雷诺数情况下静止管道绕流场,在计算模拟中监视管壁的升力系数和阻力系数,并得出管道绕流的涡量等值线分布、压力分布、切应力分布及静止管道的旋涡自然脱落频率。3、高雷诺数下悬空管道横向振动数值分析研究了悬空管道的横向振动;横向涡激振动对疲劳失效的影响远大于顺流涡激振动的影响,因此,为避免发生横向涡激振动,计算不同频率比条件下的升力系数、阻力系数、升力系数功率谱及涡量等值线分布图,确定管道发生“锁频现象”的频率比,得出水下输油管道悬空段的临界长度曲线。4、水流作用下含周向裂纹悬空管道数值分析建立悬空管道的计算模型,结合管道的支撑条件,研究含周向裂纹管道在多种载荷联合作用下的峰值应力和循环次数。并具体分析了裂纹处弯矩、裂纹长度、裂纹深度、管道内压、水流载荷和裂纹在管道横截面上的钟点这些因素对管道峰值应力和循环次数的影响。5、水流作用下含轴向裂纹悬空管道数值分析建立计算模型,结合管道的支撑条件,研究含轴向裂纹管道在多种载荷联合作用下的峰值应力和循环次数。并具体分析了裂纹处弯矩、裂纹长度、裂纹深度、管道内压和水流载荷和这些因素对管道峰值应力和循环次数的影响。6、水流作用下含双裂纹悬空管道数值分析建立含两个裂纹缺陷的管道的模型,研究两个缺陷在相互影响区域内,相对位置对管道峰值应力和循环次数的影响。比较得出管道含双缺陷时比单个缺陷时危险,而单个缺陷时含周向缺陷管道要比含轴向缺陷管道安全度低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 前言
• 一、论文研究的工程背景和意义
• 1. 油气管道安全运行的重要意义
• 2. 穿越管道评价的重要意义
• 3. 课题研究的意义
• 二、国内外管道绕流研究现状研究现状
• 1. 国外管道绕流研究现状
• 2. 国内管道绕流研究现状
• 三、水下管道疲劳寿命预测研究现状
• 1. 国外管道疲劳寿命预测研究现状
• 2. 国内管道疲劳寿命预测研究现状
• 四、论文的研究思路及主要工作
• 1. 论文的研究思路
• 2. 论文的主要研究工作
• 第一章 高雷诺数下静止管道绕流数值分析
• 1.1 管道绕流基本特征
• 1.2 管道绕流基本方程
• 1.2.1 二维不可压黏性流体原始变量N-S 方程
• 1.2.2 无量纲涡量方程和流函数方程
• 1.2.3 不可压缩黏性流体涡量方程和流函数方程
• 1.3 不同雷诺数下管道绕流
• 1.3.1 流型随雷诺数的变化
• 1.3.2 卡门涡街
• 1.3.3 涡旋诱发振动
• 1.4 水流作用下管道受力状况
• 1.4.1 流体阻力
• 1.4.2 流体升力
• 1.5 绕流分析
• 1.5.1 建模及网格划分
• 1.5.2 数值计算方法
• 1.5.3 非稳态计算时间步长
• 1.5.4 计算方法
• 1.5.5 边界条件和初始化
• 1.5.6 监视求解过程
• 1.5.7 计算结果分析
• 1.6 小结
• 第二章 高雷诺数下悬空管道横向振动数值分析
• 2.1 动网格选择
• 2.2 建模及网格划分
• 2.3 数值计算方法
• 2.3.1 控制方程
• 2.3.2 计算参数选取
• 2.3.3 边界条件和初始化
• 2.4 管道横向振动
• 2.4.1 激振频率与固有频率
• 2.4.2 横向共振条件
• 2.4.3 约化速度
• 2.5 监视求解过程与计算结果分析
• 2.6 临界长度的计算
• 2.7 高雷诺数下管道临界长度曲线
• 2.8 小结
• 第三章 水流作用下含周向裂纹悬空管道数值分析
• 3.1 模型建立
• 3.1.1 管道的周向缺陷分析
• 3.1.2 载荷分析
• 3.1.3 模型分析
• 3.2 结构分析计算
• 3.2.1 裂纹位置变化时应力分析
• 3.2.2 不同跨度下应力分析
• 3.2.3 裂纹角度对应力的影响
• 3.2.4 裂纹尺寸对应力的影响
• 3.2.5 载荷对应力的影响
• 3.3 疲劳分析计算
• 3.3.1 裂纹位置变化时管道疲劳分析
• 3.3.2 不同跨度疲劳分析计算
• 3.3.3 裂纹角度对寿命的影响
• 3.3.4 裂纹尺寸参数对疲劳寿命的影响
• 3.3.5 多种载荷联合作用对疲劳寿命的影响
• 3.4 小结
• 第四章 水流作用下含轴向裂纹缺陷管道数值分析
• 4.1 结构分析
• 4.1.1 裂纹缺陷位置变化时应力分析
• 4.1.2 不同跨度下应力分析
• 4.1.3 裂纹尺寸对管道峰值应力的影响
• 4.1.4 载荷对应力的影响
• 4.2 疲劳分析计算
• 4.2.1 裂纹位置变化时管道疲劳分析
• 4.2.2 不同跨度疲劳分析计算
• 4.2.3 裂纹尺寸对疲劳寿命的影响
• 4.2.4 多种载荷联合作用对疲劳寿命的影响
• 4.3 小结
• 第五章 水流作用下含双裂纹悬空管道数值分析
• 5.1 模型建立
• 5.1.1 缺陷距离
• 5.1.2 管道载荷
• 5.2 结构分析
• 5.3 疲劳分析计算
• 5.4 裂纹方向影响分析
• 5.5 小结
• 结论
• 一、本文研究成果
• 二、本文的创新点
• 三、展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表文章目录和取得的科研成果
• 致谢
• 详细摘要