典型管路附件的流动分析及优化设计.pdf
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1、哈尔滨工业大学硕士学位论文 -I- 摘要 随着人类对海洋世界的探索,对船舶的性能也提出了更新更高的要求,降低 船舶管路系统由于管内流体流动而产生的振动对提高船舶的性能和保障安全航行 具有积极作用。为此,对典型管路附件进行流动分析及振动特性分析的工作具有 重要意义。 本文借助于先进的数值模拟手段大涡模拟,在来流速度分别为 20m/s、30m/s 和 40m/s 的三种工况下,分别探讨了三通管路、闸阀和截止阀内部的非定常流场 速度特性和在湍流压力脉动激励下管路附件的振动特性。研究结果表明,三通管 路由于分流作用在分流处产生旋涡,导致压力波动,引起管路振动。闸阀在全开 状态下,绝大多数流体都可以均匀
2、平稳通过流道,管路振动主要由进入阀体的少 量流体由于绕流、冲击等原因引起的,振动较小。而截止阀入口段和出口段转弯 处的二次流以及流体流过阀体产生的旋涡,在其内部产生较大的高速区,导致管 路振动。三通管路、闸阀和截止阀受到的力学载荷都呈高频波动,波动幅值较小, 水平方向受力大于竖直方向受力。随来流速度的增加,其所受的力和力矩以及其 波动幅值也会变大。 在上述研究的基础上,以减少流体流动引起管路附件振动为目的,用流场速 度均匀系数代替管路附件的振动幅值大小作为优化目标,通过改变管路中心线形 式对汇流、分流三通管路进行优化设计。设计结果表明,速度均匀系数越小,流 场均匀程度越高,由此带来的压力波动和
3、管路振动也越小。所得到的最优尺寸的 优化目标降至 0.05395,与原型的 0.07021 相比,数值上减小了 23.1591%,流动特 性有了很大改善,管路振动明显减小。 关键词:管路附件;压力脉动;减振;优化设计 哈尔滨工业大学硕士学位论文 -II- Abstract With the exploration of the sea world by human being, newer and greater performance of ships has been acquired. Decreasing vibration of the pipe system caused by t
4、he liquid flow has a great positive effect to enhance the performance of ships and to keep the security of the sailing. Consequently, it is very important to carry out a flow simulation and turbulent pressure pulsation characteristics analysis of the typical pipeline fittings. In this paper, by usin
5、g the Large Eddy Simulation method, the interior unsteady flow field speed characteristics of tee line, sluice valve and isolating valve and the vibration performance of the pipeline fittings in the drive of turbulent pressure pulsation were studied under three different circumstances with a free st
6、ream velocity of 20m/s, 30m/s and 40m/s. The results show that eddies is produced at the shunt place of the tee line, which leads to the oscillation of pressure and the vibration of the wall of the pipeline. Most of the fluid can flow through the port evenly and placidly when the sluice valve is ful
7、ly open. Pipeline vibration is mainly caused by the detouring and striking of a small amount of the fluid in the valve. The secondary flow emerged at the corner of entrance and exit of the valve, together with eddies caused by fluid flowing through the valve, produce a high speed region, and thus gi
8、ve rise to the pipeline vibration. The force and bending moment in the tee line, sluice valve and isolating valve exhibit high-frequency wave characteristics, howerver the wave amplitude is very small. Horizontal stress is bigger than vertical stress. With increasing velocity of the free stream, the
9、 force and bending moment and their pulsing becomes bigger and bigger. Based on the study above, an optimization design of the junction and shunt tee line was made by changing the form of the centre line of the tee line. And the flow speed uniformity coefficient was used to replace the vibration amp
10、litude of the pipeline fittings as the optimization goal. The result of the design shows that the smaller the speed uniformity coefficient is, the more even will the flow field be. Therefore the pressure oscillation and the pipeline vibration caused by the liquid flow will be smaller as well. In thi
11、s way, the value of the optimization goal is decreased to 0.05395 which is reduced by 23.1591% compares to the prototype of 0.07021. Accordingly, the flow characteristics of the pipeline have a great improvement, and the vibration of the pipeline has been significantly reduced. Key words: pipeline f
12、ittings, pressure pulsation, vibration reducing, optimization design 哈尔滨工业大学硕士学位论文 -I- 目 录 摘要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题来源及研究的目的和意义 1 1.2 国内外的研究现状及分析 1 1.2.1 基础理论研究 . 2 1.2.2 减振技术应用 . 4 1.3 本文的主要研究内容 5 第 2 章 湍流流动数值模拟方法及验证 . 6 2.1 湍流流动数值模拟方法简介 6 2.1.1 直接数值模拟(DNS). 6 2.1.2 大涡模拟(LES) 7 2.1.3
13、 应用Reynolds时均方程的模拟方法(RANS). 7 2.1.4 DNS、LES、RANS模拟对比分析 8 2.2 圆管道湍流流动直接数值模拟研究 9 2.2.1 圆管湍流计算模型及特点. 9 2.2.2 直接数值模拟控制方程和无量纲化. 9 2.2.3 直接数值模拟的数值计算方法 11 2.2.4 直接数值模拟计算程序流程图 . 12 2.3 圆管道湍流流动大涡模拟研究 12 2.4 直接数值模拟与大涡模拟计算结果对比 13 2.5 本章小结 17 第 3 章 典型管路附件的流动分析 . 18 3.1 几何建模与网格划分 18 3.1.1 几何建模. 18 3.1.2 网格划分. 19
14、 3.2 三通管路内部流场湍流流动分析 21 3.3 闸阀内部流场湍流流动分析 30 3.4 截止阀内部流场湍流流动分析 38 哈尔滨工业大学硕士学位论文 -II- 3.5 本章小结 46 第 4 章 三通管路优化设计 . 47 4.1 均匀设计 47 4.2 遗传算法 48 4.3 三通管路优化设计流程 49 4.4 汇流三通的优化设计 49 4.4.1 优化变量与优化目标. 49 4.4.2 试验计算样本. 52 4.4.3 实体建模与网格划分. 55 4.4.4 优化目标与计算工况的无关性验证. 55 4.4.5 回归模型逼近与系数表. 57 4.4.6 遗传算法寻优. 61 4.4.7
15、 优化管路中心线控制方程的生成. 63 4.5 分流三通优化设计 65 4.5.1 优化变量与优化目标. 65 4.5.2 试验计算样本. 67 4.5.3 回归模型逼近与系数表. 68 4.5.4 遗传算法寻优与优化管路中心线控制方程的生成 . 71 4.6 本章小结 72 结论 74 参考文献 76 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 80 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 80 致 谢 81 哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪论 1.1 课题来源及研究的目的和意义 随着世界经济的飞速发展,海洋石油开采量与国际海运贸易的增加,对船舶 的需求量也在不断的增加1,对船舶的
16、性能也提出了更高的要求。各种新的突破性 的技术不断地被提出应用,去提高船舶的性能。由于船舶上最常见的管路系统内 流体流动产生的压力脉动会导致管路振动,并且管路的振动会传递影响到其它结 构,当脉动压力与管路系统的固有频率接近时,会降低管路工作的可靠性,影响 船舶性能,甚至威胁到船舶的安全航行2。因此管路系统的减振技术的应用,已成 为现代船舶发展的主要趋势之一3。为此,对管路进行三维流动特性及旋涡演化机 制分析,研究其湍流脉动压力参数分布特征规律的工作很有意义。 为了研究管路振动产生的机理,首先要明确管路中振动的来源4。管路中振动 主要来自以下几个方面:1、管路中泵、阀门等工作引起的振动以及与管路
17、相连的 部件的振动传递到管壁上引起的管路振动;2、管路中湍流流体流动过程中随机的 速度扰动产生随机的脉动压力,进而引发管路振动。3、阀门开启、闭合引起管路 内流体流量变化,冲击等引发管路振动;4、管路中泵的入口、阀门部件附件会有 局部低压区,此处压力低于流体介质饱和压力时,会产生气泡,气泡进入正常压 力区域破碎引发管路振动;5、管路中弯头、三通管路等引起流体转向、分流导致 流体流动方向和流动状态发生突然变化进而引起管路振动。其中,在单独考虑管 路受力,不考虑相变的情况下,对于一个稳定的流动工况,2 和 5 这两方面是管路 振动的主要来源。因此,研究管路内流体湍流流动对管路附件受力情况的影响,
18、分析管路附件所受的力学载荷特性与振动之间的关系是十分必要的。 1.2 国内外的研究现状及分析 国外在船舶水动力振动噪声研究方面做了大量的工作,通过理论分析、实验 验证和数值模拟等手段研究管路系统的振动特性,分析其脉动压力分布规律。包 括湍流边界层脉动压力的频率波数谱模型的建立分析、湍流边界层随机脉动压 力测量方法的分析改进、弹性结构受湍流脉动压力激励的外部场的计算模拟等等。 在存在相变等复杂流动情况,对管路系统由于湍流压力脉动而激励管壁振动等问 题也都做了系列研究。而国内开展船舶减振降噪研究的这些年来,虽然取得了巨 大的进展,但是无论在基础理论研究方面,还是在减振技术应用方面,都与美、 哈尔滨
19、工业大学硕士学位论文 - 2 - 俄等国之间存在着较大差距。 1.2.1 基础理论研究 经典的湍流脉动压力频率波数谱模型是由 Corcos 最先拟合得出,而后 Efimtsov, FfowcsWilliams, Chase 等人也基于各自的试验纷纷拟合出相应的经验 表达式,建立起各自的湍流脉动压力频率波数谱模型5。Hwang6等通过光谱测 量方法在广泛的雷诺数和边界层厚度条件下对空气和水进行实验,比较实验结果 与模型计算压力值,总结了上述模型的特点,分析各个模型的适用性和局限性。 为了使模型建立的更为精确,需要提供有效合理的湍流脉动压力参数,并以 此为依托进行公式拟合,为此也发展起了一系列相应
20、的湍流脉动压力测量技术和 方法。最早的湍流脉动压力测量方法7由 Corcos 提出的。Eaton 和 Johnston, Kiya 和 Sasaki 以及 Cherry 等人也针对不同情况、 不同问题做了相应的工作, 比如 Cherry 给出了一个单独的剪力边界层中压力脉动的测量方法,Kiya 和 Sasaki 在平均速度 矢量和压力强度的条件下,对三维发夹涡进行了研究,给出其测量方法8。但是这 些工作大多是局限于一个点, Lee 和 Sung9给出了一个能够有效测量脉动压力的时 间和空间信息测量方法。Ledereq 和 Bohineust10对于车辆在流体中运动过程所引 起的流板振动进行了研
21、究,提出一种在完全湍流边界层流动下的压力场测量方法, 较为准确的描述了流板所受的压力脉动。 在考虑到湍流脉动压力的测量采样过程包含了时间和空间上的平均过程,也 就是说,测量结果与测量传感器的时间和空间特征有关这一情况后。许多学者对 测量传感器的测量结果进行了修正。比如 Geib 通过对 6 种不同尺寸的传感器测量 结果的对比分析,采用无量纲频率手段,修正了传感器尺寸对测量结果的影响。 Pompel 和 Woohi11对不同形状的传感器,比如圆形、方形等进行了采样修正处理, 提高了湍流随机脉动压力测量的精度。 湍流脉动压力激励的外部区域场的计算模拟是由 Strawdermam12较早的开展 了工
22、作的,他在考虑了流体负载的耦合作用后对无限大平板和简支平板受湍流脉 动压力激励的振动响应展开了研究。结果表明,无限大平板与简支平板在速度谱 密度上吻合的较好,但是交叉到附近的光谱密度存在明显差异。而后 Rumerman13 对简支矩形板的研究进一步指出,面相互作用与角相互作用对弹性板振动和声辐 射贡献的大小取决弹性板和湍流脉动压力两方面的因素。在低马赫数情况下, Borisyuk 和 Grinchenko14分别对弹性结构单元在不同边界条件下进行了计算仿真, 分析不同的湍流脉动压力频率波数谱模型激励对其产生的振动和声辐射影 响。Shsh15以及 Durant 等16也分别对单根和多根肋骨加强的
23、无限大平板、涂覆粘 弹性层的无限大平板和半无限大平板以及圆柱壳等受湍流脉动压力激励的振动和 哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 3 - 内外声场,展开了计算和分析。得到了与试验结果的吻合的较好的计算结果。 随着计算机技术的发展以及计算流体力学 CFD 理论的出现和完善,数值模拟 方法在湍流的研究中发挥着越来越重要的作用,为研究更深层次的机理提供了强 有力的工具。 Southampton 大学的学者们最先开展了研究, 以无限平板为研究对象, 数值模拟分析了无限平板湍流流动的脉动压力特性17。其他学者也针对不同的研 究对象进行了研究分析。比如 Willis 和 Dickelacker 分别研究了管道湍
24、流的壁面压 力脉动特性,Bull 研究了完全发展的湍流边界层中湍流脉动压力的分布规律; Blackman 研究了边界层转捩区的脉动压力特性分布等等18。Choi 和 Moin19研究 了二维湍流槽道流中的脉动压力。Kim 和 Sung20使用直接数值模拟方法对一个简 单的二维带有凸凹曲率的模型的湍流边界层内脉动压力进行了仿真计算。结果表 明脉动压力是模型振动的主要贡献者,二者间有紧密的联系。 国内的许多学者在这方面也作了大量的研究和工作。李福新等21-23基于平板 湍流边界层的脉动压力频率波数谱,给出了一种湍流边界层声辐射的估算方法。 对光滑平板湍流边界层、平板表面粗糙度引起的湍流边界层和考虑
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