潮汐流域作用下输流管道流致振动特性研究

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1、ResearchonFlow-InducedVibrationCharacteristicsofPipelineunderTidalBasinbyLiangchaoSupervisor:ProfessorWangChunshengAThesisSubmittedtotheNortheastPetroleumUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofEngineeringOilandGasStorageandTransportationEngineeringJune,2018东北石

2、油大学硕士研究生学位论文潮汐流域作用下输流管道流致振动特性研究摘要输流管道因其细薄轻巧、工艺成熟被广泛应用于航天、核能、石油与海洋等多工程领域，同时由于其刚度较小、内外域流体流动复杂等原因易发生失稳与振动问题，对输运流体与介质间能量传递造成很大困难。因此本文针对处于海洋流域中输运气液两相流体的S型输流管道流致振动问题进行研究，综合考虑了双向潮汐流周期运动特性、管内两相流体动界面及其流动特性以及输流管道固体结构力学特性进行多物理场耦合研究，探讨不同流域流体流动参数与输流管道稳定、失稳间关系。本文主要从三个方面对S型输流管道的振动响应特性进行分析。（1）首先针对内流域气液两相

3、流动诱导管道振动进行计算分析。基于二维与三维输流管道模型，通过纵向分析流动特征值诱导管道振动与横向分析不同流动参数下管道的振动特性，计算得出输流管道振动时程位移曲线、管壁应力分布以及管道变形特征等。可得立管区域时程位移高于弯管道区域高于固支端；气液混合流动诱导管道失稳颤振现象强于单气塞或单液塞区域；全周期轴线时程位移与管壁应力呈现反比关系；（2）针对双向潮汐流诱导管道振动进行计算研究。基于三维矩形流域与输流管道物理模型，分别对Parallel流域与Verticality流域作用下的管道进行流固耦合研究。通过计算结果可得管道应力场表现为固支端区域高于立管管段区域高于弯管道区

4、域，全周期管道时程位移呈现出与外流域高度一致的周期性波动；（3）针对耦合流域下输流管道的振动特性进行多物理场耦合计算分析。Parallel流域中输运两相流体的S型输流管道在内外流域作用力叠加与衰减激励下，主要表现出收缩性变形振动与扩张性变形振动两种形式；Verticality流域中则呈现出强无序锯齿状波动的连续同向颤振现象。关键词：S型输流管道；流致振动；相间动界面；时程位移；多物理场耦合II东北石油大学硕士研究生学位论文ResearchonFlow-InducedVibrationCharacteristicsofPipelineunderTidalBasinABSTR

5、ACTThefluidconveyingpipesarewidelyappliedtospaceflight,nuclearenergy,petroleum,andmarineengineeringbecauseofitsthinlightandmaturetechnology.Furthermore,itssmallstiffnessandcomplexflowincrossandinternalflow,itwillbecausedgreatdifficultiestotransporttheenergytransferbetweenfluidandmedium.So

6、thisarticleinviewoftheflowS-typepipelinesvibrationproblemthattransporttwophasefluidsintheoceanbasin,andstudymultiphysicscouplingbyconsideringtheproblemsinmanyaspects,includingbidirectionaltidalflowcyclecharacteristics,in-tubetwo-phasefluiddynamicinterfaceandconveyingpipelinesolidstructure

7、mechanicalproperties,toexploretherelationshipbetweenfluidflowparametersandinstabilityofthepipelinesindifferentriverbasins.ThisarticlemainlyanalyzesthevibrationresponsecharacteristicsofS-typepipelinesfromthreeaspects.(1)Firstly,thepipelinevibrationinducedbygas-liquid