彎管內流體壓力載荷分布及其影響因素的數(shù)值模擬研究.pdf

1、彎管結構作為管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，其安全狀況和強度可靠性受到越來越多的關注。現(xiàn)行的彎管結構設計和強度分析方法，都將彎管結構近似地看作承受均勻內壓載荷作用的容器從而等同于直管來進行處理，真實工況下彎管受到輸送流體作用而導致的壓力載荷不均勻性一直沒有被人們所考慮。這種對彎管受力分析的近似處理當管道設計安全系數(shù)較大，介質壓力、介質溫度等輸送參數(shù)需求較低時，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、劇了彎管位置的應力集中程度，彎管局部強度不足、易發(fā)生破壞失效等問題就愈見明顯。因此，對彎管進行準確的受力載荷分析便成為了彎管結構設計和強度可靠性分析的重要前提。 本文以計算流體力學(CFD)方法為基礎，采用流體仿真軟件FLUENT程序為計算平臺，從研究彎管內的介質流動角度出發(fā)，對典型工況的彎管內湍流流場進行了計算流體力學數(shù)值計算，重點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)學模型，并進一步討論

3、了輸送參數(shù)(流體流速v、流動雷諾數(shù)Re)和彎管幾何參數(shù)(彎曲半徑R、管徑D、彎曲角0)對彎管內流體壓力載荷分布的影響規(guī)律。 研究的目的旨在通過分析真實狀態(tài)下彎管內流體壓力載荷的分布規(guī)律，為彎管的結構設計、強度計算提供準確的力學分析基礎和工程估算的經驗公式，同時結合相關參數(shù)對彎管所受流體壓力載荷的影響，對實際工程中彎管結構設計和安全分析給出指導性的建議，本文得出的主要結論如下： 1．由于輸送流體的作用，真實工作狀態(tài)下彎管內

4、的壓力載荷分布表現(xiàn)出了不均勻性，輸送介質對彎管凸邊壁面產生較大沖擊，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)的將彎管結構看作承受均勻內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計和強度分析時，彎管內流體壓力載荷的不均勻性必須予以考慮。 2．工程中常見的90度彎管結構，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，因此在彎管的強度計算以及管道安全檢測時，上述的幾個特征截面位置應當予以重點的關注。 3．對彎管內流體壓力載荷的分布規(guī)律進行了數(shù)值分析，給出了彎管內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)值分析結果可以作為彎管強度分析和結構設計的基礎性數(shù)據(jù)。 4．在影響彎管內流體壓力載荷分布的典型參數(shù)中，輸送介質的流速v、彎管彎曲半徑R、彎管彎曲角為

6、敏感參數(shù)，它們對彎管的受力狀態(tài)影響較大，其中流速v對彎管內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，因此在彎管的結構設計和強度計算時，應當充分考慮以上敏感參數(shù)的變化對彎管所受壓力載荷的影響作用，當進行管道系統(tǒng)的設計工作時，在條件允許的條件下，應盡可能采用較大彎曲半徑

7、和較小彎曲角的彎管結構，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．本文采用的計算流體力學(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，同時克服了真實試驗研究經費投入、人力和物力的巨大耗費及周期長的困難，極大地提高工作效率。以FLUENT程序為計算平臺，可以充分發(fā)揮其3D實體造型、流體動力學數(shù)值計算、計算結果圖形化等優(yōu)點，能夠直觀地得到輸送介質流經彎管時的速度