弯管导流结构的优化和数值模拟研究

论文摘要

弯管在工农业装备中应用广泛,对弯管导流结构进行研究,有利于更好的认识和应用弯管结构,保证弯管在工农业装备中的安全应用。总结了两端铰支输流直管、悬臂输流直管和圆弧形输流曲管的理论模型,用微元平衡法推导了各自的运动微分方程,用Galerkin法对两端铰支输流直管和悬臂输流直管的运动微分方程进行离散,推导了悬臂输流直管和悬臂输流曲管运动微分方程的微分求积法格式。用Fluent软件中的RNG k-ε模型计算模拟了原始弯管内的压强和流场分布,初步认识了弯管内流动的不规则性。为改善弯管内因流体不规则流动造成的管道振动,提高管道工作的可靠性,按照等比例分布原则分别在管道内部安装单片导流器、两片导流器和三片导流器,计算模拟了上述各种情况下的流场特性,通过对比分析认为在弯管内特定位置安装三片导流器（Fluid-1124方案）能有效改善流体流动的不规则性。基于等比例分布方案的优化结果,考虑黄金分割比例分布两片和三片导流器的情况,计算结果显示按黄金分割比例安装两片导流器（Fluid-nn方案）能更好的改善弯管内的最大流速、最大压强和压差及其分布状况。为进一步优化导流器的结构和位置,对导流器进行局部结构设计,包括平移导流器、改变导流器弧度、设计不完全导流器和延长导流器,在Fluid-nn方案的基础上计算表明,平移导流器、改变导流器弧度和设计不完全导流器都不能明显的优化流体流动特性,将第二片导流器在出口段方向延长15mm（Fluid-215方案）能够进一步改善流场特性,消除了出口段的低速区,避免了二次流和回流。弯管在流体作用下的情形是典型的流固耦合（Fluid-Structure Interaction）问题,为了真实的反应弯管和流场的特性,采用Fluent和Abaqus软件对原始弯管和优化后的Fluid-215方案进行流固耦合计算,结果显示流固耦合计算的流场和使用Fluent计算的流场相似,将内侧导流器厚度设计为1mm形成Pipe-e方案,弯管和导流器能够满足强度和刚度要求并且受力状况有所改善。通过对弯管导流结构的数值模拟研究,探讨了弯管内流体流动特性,提出了弯管导流结构的优化方法,设计出了合理的弯管导流结构,对于工程中弯管的合理设计和应用具有重要的指导意义。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究发展概况
• 1.2.1 输流直管的研究现状
• 1.2.2 输流曲管的研究现状
• 1.2.3 弯管导流结构的研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 2 输流管在内流作用下的运动微分方程
• 2.1 微分求积法基本原理
• 2.2 两端铰支输流直管的运动微分方程
• 2.2.1 理论模型
• 2.2.2 运动方程Galerkin法离散
• 2.3 悬臂输流直管的运动微分方程
• 2.3.1 理论模型
• 2.3.2 悬臂输流直管模型的微分求积法格式
• 2.3.3 运动方程Galerkin法离散
• 2.4 圆弧形悬臂输流曲管的控制方程
• 2.4.1 理论模型
• 2.4.2 控制方程的微分求积法格式
• 3 导流板改善弯管流场的数值模拟与优化
• 3.1 模型介绍
• 3.1.1 物理模型
• 3.1.2 数学模型
• 3.2 数值方法
• 3.2.1 离散格式
• 3.2.2 边界条件
• 3.3 算例及分析
• 3.3.1 原始弯管研究
• 3.3.2 等比例分布方案
• 3.3.3 黄金分割比例方案
• 3.3.4 导流器局部结构设计
• 3.4 结论
• 4 弯管导流结构的流固耦合计算
• 4.1 流固耦合概述
• 4.2 模型介绍
• 4.2.1 问题描述
• 4.2.2 数学模型
• 4.3 算例及分析
• 4.3.1 原始弯管流固耦合计算
• 4.3.2 优化导流器和管壁的倒角
• 4.3.3 优化导流器的弧度
• 4.3.4 优化导流器的厚度
• 4.4 结论
• 5 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录