水流作用下含轴向裂纹悬空管道数值分析

论文摘要

穿越河流管道在水流作用下,可能因冲刷而形成悬跨。管道悬跨段由于没有土壤支撑,在尾流旋涡的作用下易产生振动。若管道存在轴向裂纹型缺陷,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,研究含轴向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寿命。主要内容如下:1、管道绕流特性及绕流理论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。3、均匀流中悬空管道横向振动数值分析研究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向涡激振动的影响,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。4、水流作用下含轴向裂纹缺陷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,研究含缺陷管道在多种载荷联合作用下的缺陷应力分析和疲劳寿命分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 前言
• 一、本文的研究背景
• 二、管道绕流研究现状
• 三、水下管道疲劳寿命预测研究现状
• 四、本文研究的主要内容
• 第一章 管道绕流特性及绕流理论
• 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 小结
• 第二章 静止管道绕流数值分析
• 2.1 建模及网格划分
• 2.2 数值计算方法
• 2.2.1 增强壁面函数的选用
• 2.2.2 非稳态计算时间步长选择
• 2.2.3 计算方法选择
• 2.2.4 边界条件和初始化
• 2.3 监视求解过程
• 2.4 计算结果分析
• 2.5 小结
• 第三章 均匀流中悬空管道横向振动数值分析
• 3.1 动网格选择
• 3.2 建模及网格划分
• 3.3 数值计算方法
• 3.3.1 控制方程
• 3.3.2 计算参数选取
• 3.3.3 边界条件和初始化
• 3.4 管道横向振动
• 3.4.1 激振频率与固有频率
• 3.4.2 横向共振条件
• 3.4.3 约化速度
• 3.5 监视求解过程与计算结果分析
• 3.6 临界长度的计算
• 3.7 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 模型建立
• 4.1.1 管道的轴向缺陷分析
• 4.1.2 载荷分析
• 4.1.3 模型分析
• 4.2 结构分析计算
• 4.2.1 不同缺陷位置结构分析计算
• 4.2.2 不同跨度结构分析计算
• 4.2.3 缺陷尺寸参数对应力的影响
• 4.2.4 多种载荷联合作用对应力的影响
• 4.3 疲劳分析计算
• 4.3.1 不同缺陷位置疲劳分析计算
• 4.3.2 不同跨度疲劳分析计算
• 4.3.3 缺陷尺寸参数对疲劳寿命的影响
• 4.3.4 多种载荷联合作用对疲劳寿命的影响
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要