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输水管道流固耦合振动试验及数值模拟

王泽深  
【摘要】:输水管道中存在由于流体与管道之间相互作用的流固耦合现象,由于流体流动状态的不稳定,导致流体内部压力失衡而产生了压力波动从而引发管道的振动,这种振动对于弯头、阀门等管道的连接部位的影响,会导致管道漏失现象的发生,在极端情况下可能会发生爆管事故。从保障输水管道安全性的角度出发,本文基于流固耦合理论,对重力流、压力流两种不同供水方式展开研究,通过对稳态振动数据、关阀试验压力数据的采集,以及数值模拟技术的应用,来监测管道流固耦合振动的特性。首先建设了试验管道系统,有机玻璃管作为管材,由高低位水箱、重力流管道、压力流管道组成,管道总长度75m,管道内通过水泵和阀门调节流速在0-2.3m/s之间,在模拟气液两相流流体时,用气泵加气,加气量在0-1.5m3/h之间。在两条管道中,含有上升管段、下降管段、水平管段来模拟输水管道由于地形起伏而存在多种倾斜度管段的情况。设置电动蝶阀控制流速来进行稳态振动试验分析,用加速度传感器采集振动数据;通过气动蝶阀的迅速关闭来模拟关阀水锤试验,用压力传感器采集水锤压力变化数据。对试验数据进行理论分析和处理结果表明,对于稳态振动试验,在单相流中,管道内径向振动强度较小,而轴向振动强度随着流速增加而增加,在气液两相流中,由于气体的存在导致管道振动情况变得复杂,下降管段处管道振动受含气率的影响很大,对比单相流,在相同流速下,轴向振动和径向振动强度都较大,说明了水中气体的存在会使管道在稳态情况下振动更加剧烈,不利于管道稳定运行。对于关阀水锤压力试验,关阀水锤的水锤升压值随着流速增加而增加,而在相同流速下,随着加气量的增加,关阀水锤升压值减小,这是由于气液两相流中气体的可压缩性,有效的减弱了关阀水锤的强度。说明在极端情况流态变化的情况下,流体中气体的存在会对管道产生一定的保护作用。在数值模型分析中,通过ANSYS Workbench平台进行关阀试验数值模拟研究。通过建立与试验管道情况类似的物理模型进行单向流固耦合数值分析,得到了管道流体压力变化云图及管壁形变变化云图,对水锤现象有了更加直观的分析。通过对输水管道中流固耦合现象多角度,多工况的全面分析,总结了输水管道流固耦合振动特点,这些试验数据与结论对输水管道的设计、管理提供了理论基础,具有一定的参考价值。


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