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静水扬矿硬管输送过程流固耦合振动的数值仿真与实验研究

卢浩  
【摘要】:扬矿硬管是垂直提升管道系统中的关键设备,对整个采矿系统的安全可靠作业具有举足轻重的作用,一旦其发生破坏,将导致整个提升系统的瘫痪,甚至造成重大事故和经济损失。对管道振动特性的研究是管道系统分析中最基础,也是最普遍的内容,研究重点在于揭示管道固有特性和动态特性的内在规律。本文以垂直悬臂、外部静水、内部流体条件下的扬矿硬管为研究对象,深入分析不同工况下管道的流固耦合振动特性,从而为扬矿硬管设计、校核、振动机理和减振技术研究提供参考和依据。 (1)阐述了有关管道振动的研究进展,重点从扬矿硬管力学分析、流固耦合研究进展、悬臂输流管道振动、管道振动研究模型和方法等方面的研究工作进行了归纳和总结。 (2)论述了管道振动和流固耦合的相关基本理论,进行了静水条件下扬矿硬管受力分析及各物理场耦合分析,在此基础上基于Hamilton原理推导了管道振动微分方程,利用有限元法得到管道流固耦合振动方程,应用流体力学和弹塑性力学建立了管道耦合振动数学模型。 (3)应用有限元软件ADINA建立了管道流固耦合有限元模型,进行了管内流体—管道二者流固耦合以及管内流体—管道—管外流体三者流固耦合模态分析,得到了不同输送颗粒浓度、不同管道截面尺寸下的前10阶固有频率和振型,比较了上述工况条件下无耦合、二者耦合、三者耦合作用下的固有频率,进而深入分析了流固耦合作用对管道固有频率的影响。采用有限元法并通过MATLAB软件进行编程求解,讨论了不同体积浓度、不同流速下管道的固有特性,并将二者耦合下的ADINA求解结果与MATLAB求解结果进行比较,结果表明,两种方法所求结果误差较小,证明了所求结果的正确性。 (4)基于有限元软件ADINA分别建立管道和流体有限元模型,应用ADINA—FSI流固耦合模块进行流固耦合动态特性分析,对不同启动时间、不同约束条件、不同输送浓度、不同输送速度工况条件下的扬矿硬管振动动态特性进行研究,讨论上述工况条件下的应力、位移特性。 (5)在某矿井中的垂直提升管道上搭建了输送过程振动测试系统,采集输送过程中的振动信号,并对采集信号进行处理,对垂直提升过程中的相关振动特性进行实验研究,表明了仿真和实验结果总体趋势一致。


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