彎管內(nèi)流體壓力載荷分布及其影響因素的數(shù)值模擬研究.pdf

1、彎管結(jié)構(gòu)作為管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，其安全狀況和強(qiáng)度可靠性受到越來(lái)越多的關(guān)注?，F(xiàn)行的彎管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析方法，都將彎管結(jié)構(gòu)近似地看作承受均勻內(nèi)壓載荷作用的容器從而等同于直管來(lái)進(jìn)行處理，真實(shí)工況下彎管受到輸送流體作用而導(dǎo)致的壓力載荷不均勻性一直沒(méi)有被人們所考慮。這種對(duì)彎管受力分析的近似處理當(dāng)管道設(shè)計(jì)安全系數(shù)較大，介質(zhì)壓力、介質(zhì)溫度等輸送參數(shù)需求較低時(shí)，能夠滿足工程上的要求。但隨著工廠輸送參數(shù)的提高及運(yùn)行工況的苛刻，彎管處壓力載荷的不均勻性加

2、劇了彎管位置的應(yīng)力集中程度，彎管局部強(qiáng)度不足、易發(fā)生破壞失效等問(wèn)題就愈見(jiàn)明顯。因此，對(duì)彎管進(jìn)行準(zhǔn)確的受力載荷分析便成為了彎管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度可靠性分析的重要前提。 本文以計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法為基礎(chǔ)，采用流體仿真軟件FLUENT程序?yàn)橛?jì)算平臺(tái)，從研究彎管內(nèi)的介質(zhì)流動(dòng)角度出發(fā)，對(duì)典型工況的彎管內(nèi)湍流流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算，重點(diǎn)分析和研究了流體作用下彎管壁面流體壓力載荷的分布規(guī)律，給出了描述這些規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步討論

3、了輸送參數(shù)(流體流速v、流動(dòng)雷諾數(shù)Re)和彎管幾何參數(shù)(彎曲半徑R、管徑D、彎曲角0)對(duì)彎管內(nèi)流體壓力載荷分布的影響規(guī)律。 研究的目的旨在通過(guò)分析真實(shí)狀態(tài)下彎管內(nèi)流體壓力載荷的分布規(guī)律，為彎管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算提供準(zhǔn)確的力學(xué)分析基礎(chǔ)和工程估算的經(jīng)驗(yàn)公式，同時(shí)結(jié)合相關(guān)參數(shù)對(duì)彎管所受流體壓力載荷的影響，對(duì)實(shí)際工程中彎管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全分析給出指導(dǎo)性的建議，本文得出的主要結(jié)論如下： 1．由于輸送流體的作用，真實(shí)工作狀態(tài)下彎管內(nèi)

4、的壓力載荷分布表現(xiàn)出了不均勻性，輸送介質(zhì)對(duì)彎管凸邊壁面產(chǎn)生較大沖擊，此處所受壓力載荷較大，大量的彎管破壞事故也表明，彎管的失效大都發(fā)生于其凸邊壁面位置，傳統(tǒng)的將彎管結(jié)構(gòu)看作承受均勻內(nèi)壓作用的近似處理表現(xiàn)出了不合理性，因此在考慮輸送參數(shù)要求高、工況較為苛刻的管道設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析時(shí)，彎管內(nèi)流體壓力載荷的不均勻性必須予以考慮。 2．工程中常見(jiàn)的90度彎管結(jié)構(gòu)，流體壓力載荷最大值出現(xiàn)在約軸向角度30度的凸邊壁面位置，最小值出現(xiàn)在約軸向角度

5、50度的凹邊壁面位置；凸、凹邊流體壓力差最大值位置在軸向角度45度位置，因此在彎管的強(qiáng)度計(jì)算以及管道安全檢測(cè)時(shí)，上述的幾個(gè)特征截面位置應(yīng)當(dāng)予以重點(diǎn)的關(guān)注。 3．對(duì)彎管內(nèi)流體壓力載荷的分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值分析，給出了彎管內(nèi)流體壓力載荷沿彎管軸向和截面周向分布規(guī)律的曲線擬合方程，數(shù)值分析結(jié)果可以作為彎管強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。 4．在影響彎管內(nèi)流體壓力載荷分布的典型參數(shù)中，輸送介質(zhì)的流速v、彎管彎曲半徑R、彎管彎曲角為

6、敏感參數(shù)，它們對(duì)彎管的受力狀態(tài)影響較大，其中流速v對(duì)彎管內(nèi)流體壓力載荷的影響作用僅表現(xiàn)在數(shù)值上的差異，而彎曲半徑及彎曲角的改變則使得流體壓力特征值的位置也發(fā)生變化； 5．介質(zhì)流速v的增大、彎管彎曲半徑R的減小和彎管彎曲角的增大均造成了彎管凸邊壁面流體壓力載荷的增大，因此在彎管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮以上敏感參數(shù)的變化對(duì)彎管所受壓力載荷的影響作用，當(dāng)進(jìn)行管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作時(shí)，在條件允許的條件下，應(yīng)盡可能采用較大彎曲半徑

7、和較小彎曲角的彎管結(jié)構(gòu)，一方面提高了管道系統(tǒng)的安全性能，另一方面減少管道在輸送工程中的能量損失，提高了輸送能力。 6．本文采用的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，使研究者能從繁瑣的N-S方程的理論求解中解脫出來(lái)，同時(shí)克服了真實(shí)試驗(yàn)研究經(jīng)費(fèi)投入、人力和物力的巨大耗費(fèi)及周期長(zhǎng)的困難，極大地提高工作效率。以FLUENT程序?yàn)橛?jì)算平臺(tái)，可以充分發(fā)揮其3D實(shí)體造型、流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算、計(jì)算結(jié)果圖形化等優(yōu)點(diǎn)，能夠直觀地得到輸送介質(zhì)流經(jīng)彎管時(shí)的速度