疏浚工程中珊瑚礁碎块管道输送临界流速数值研究

以疏浚过程中珊瑚礁碎块在管道内固液两相流的运动规律为背景,通过建立流固耦合数值分析模型,研究珊瑚礁碎块密度、粒径以及浆体浓度对水平管道输送过程中固体颗粒的动力特性。结果表明:珊瑚礁碎块密度与粒径越小、浆体浓度越大,碎块颗粒的临界流速越小;珊瑚礁碎块密度与粒径越大、浆体浓度越小,碎块颗粒需要的临界流速就越大。基于数值计算结果,拟合珊瑚礁碎块临界流速计算公式,并利用数值计算结果对该公式进行验证,其平均误差在15%以内。     

邮轮管路系统两相流流动特性仿真分析

针对邮轮在极地航行时海水冷却管路系统发生冰堵的问题,基于颗粒动力学理论建立欧拉-欧拉双流体模型耦合相间传质模型,通过实验法和FLUENT数值仿真对比分析两相流流经水平圆管时入口流速和入口含冰率对两相流流态的影响。实验观测与仿真结果表明,海冰移动床的堆积是导致管路发生冰堵的主要因素;提高管道入口两相流速度有利于减弱冰晶颗粒在管道内部的非均匀分布状态,减少移动冰床的堆积;随着入口含冰率的增大,冰晶沿管道截面速度的不对称性分布随之减小,海冰速度场沿管道横截面呈现对称分布。     

疏浚粗颗粒管道输送特性模拟及淤堵成因分析

为解决粗颗粒介质在管道输送中阻力大、易堵管和管道磨损加剧等问题,文章利用CFD-DEM耦合的方法,探究粗颗粒在管道中的微观运动特性、流态转变现象和流态稳定性。研究表明颗粒速度是影响颗粒在管道内运动状态的关键因素,当颗粒处于临界流速以下时,颗粒处于极不稳定的定床或动床流动状态,易导致堵管现象的发生;而当颗粒处于滑动流状态时,颗粒运动速度稳定,管道内没有颗粒沉积,可视为施工宜采用状态。     

基于CFD-DEM方法的不同弯径比弯管中气固两相流动特性

为了研究不同弯径比弯管对气固两相流动特性的影响,采用计算流体力学CFD和离散单元法DEM耦合,对聚乙烯颗粒在不同弯径比水平-弯管输送中的运动特性进行数值模拟及试验验证.基于Eulerian坐标体系的κ-ε紊流模型,采用RANS方程对管内气流流场进行求解,并针对颗粒在管中的运动规律采用EDEM中Eulerian坐标法进行分析,将该CFDDEM耦合并行模型应用于气固两相流动的数值模拟中,定性分析颗粒的运动轨迹,定量分析颗粒碰撞数,体积分数和气体速度分布.结果表明:该CFD-DEM耦合并行模型能较好地模拟气固两相流动行为,随着弯管弯径比的增大,弯管中颗粒受到的离心力作用时间增长,并且不容易发生分散,同时,弯管中颗粒的碰撞数量增加;在竖直管中,颗粒首先沿管壁外侧分布,然后向内侧移动,最后沿管中心对称分布;弯管中的气相速度呈现内侧高于外侧的情况.     

多相流技术在凝析气管道输送中的应用

多相流技术是当前管道输送技术发展的一个重要方面.多相流技术在降低管道投资,减少运行费用方面的显著特点已使其越来越多地用于油气管道输送.在海洋油气田开发中,为简化平台处理工艺、减少管道投资,油气输送多采用多相流输送.凝析气是多元组分的气体混合物,以饱和烃组分为主,在开采,输送过程中的凝析和反凝析现象显著,这使凝析气的管道输送不同于气体或液体的单相输送,凝析气的气液混相输送是多相流输送的一种特例.针对东海平湖油气田海底输气管道采用多相流技术输送凝析气的实例,分析了凝析气混相输送管道压降、输量和持液率的关系,并指出了预测管路温度下降值是管路安全运行的必要条件.通过对平湖凝析气管道的运行分析,强调工艺配套是多相流技术成功应用的重要条件.     

切向射流对垂直管旋流载料输送的影响特性

为了提高非球形颗粒垂直液压输送系统的效率和安全性，采用一种新型带切向射流入口的管道输送系统。基于计算流体力学-离散元法（CFD-DEM）耦合方法，采用改进的非球形曳力系数模型对液固两相流动特性进行分析。研究不同切向流动比例对不同形状颗粒浓度和曳力的影响。根据颗粒的浓度来衡量输送效率，依据颗粒的曳力来评估输送安全性。结果表明：在旋流作用下，不同形状颗粒之间的浓度间隙和轴向阻力间隙减小，颗粒浓度增大，各组分颗粒混合输送均匀。     

大型疏浚泥泵固液两相流场特性的数值模拟分析

基于欧拉双流体模型对绞吸挖泥船大型泥泵进行固液两相流的非定常数值模拟计算，通过对比分析颗粒粒径、颗粒浓度、颗粒密度对两相流线、固相颗粒浓度分布等流场特性的影响，为提高疏浚泥泵的优化设计提供指导。模拟结果表明，颗粒物理特性对液相流线分布的影响较小，随着颗粒粒径增大，液相对固相的带动作用减弱；随着颗粒密度的增大，液相对固相的带动作用未减弱；随着颗粒浓度增大，液相对固相的带动作用增强；随着粒径和密度增大，颗粒分布不均性加强；随着颗粒浓度的增大，颗粒浓度分布均匀性加强，靠近叶片壁面浓度明显增大。对比了两种泥泵流道的颗粒浓度分布，通过叶轮流道的优化设计，可以减少颗粒在流道表面的集聚，降低泥泵磨损。     

基于OpenFOAM的船舶与液舱流体晃荡在波浪中时域耦合运动的数值模拟

波浪中载液船舶运动激励舱内液体的晃荡,舱内液体晃荡产生的冲击力同时作用在舱壁上,进而影响船舶的运动姿态。波浪中船体水动力和时延函数是在势流理论范畴下采用切片法和脉冲响应函数方法计算获得的,液舱内液体非线性晃荡是基于粘性流理论实时计算模拟,两者耦合建立了波浪中载液船舶与液舱流体晃荡耦合的运动方程。论文基于开源CFD开发平台OpenFOAM,自主开发实现了船体运动与液舱晃荡的耦合计算程序,并进行了相应的数值模拟计算和验证工作。该方法完整地考虑了波浪、船体和液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和粘性流理论,具有较高的计算效率。通过数值模拟计算和模型实验研究表明,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动计算结果与模型实验结果吻合良好。     

深远海钻井平台钻屑处理及输送系统研究

介绍一种海上钻屑处理输送系统,该系统能在钻井平台上对废弃钻井液进行固、液分离处理,液相部分回收循环利用,固相钻屑采用管道输送工艺流化输送至岸上处理。该方法能提高工作效率,减少运输和钻井成本。对提高海洋油气钻井的经济效益和保护海洋环境具有重要意义。     

纳米流体强化气液传质的研究进展

气液传质广泛存在于气体分离等化工过程中,强化气液传质有助于实现高效率低能耗的生产。向气液两相体系中加入第三分散相固体颗粒可以显著强化气液传质过程。纳米流体是指,将纳米级金属或非金属氧化物粒子以一定方式和比例添加至液体工质中而形成的稳定的固、液悬浮液。加入的纳米颗粒具有良好的换热性能,不仅可以增强基液内的热量传递过程,而且因为颗粒的微扰动也可以显著强化传质过程。本文主要对纳米流体在强化气液传质的实验、理论研究成果进行了总结归纳,并对目前的纳米流体在气液传质领域中的应用不足之处提出展望。     

冰晶颗粒在极地船壳管式换热器海水管内的分布和融化特性的数值模拟研究

利用计算流体力学(CFD)方法,采用欧拉-欧拉模型和相间传热传质模型相耦合的数学模型,对冰晶颗粒在船舶壳管式换热器的单根海水管内的分布和融化情况进行研究。通过数值模拟分析冰晶在直管和U形管内的分布及融化情况。结果发现:冰晶颗粒主要集中于主流区,且主流区近壁面处比中心处多;相间传质率从壁面到主流区先增大后减小,沿流动方向逐渐增大,而对于U形管,在转弯的地方出现局部相间传质率增大。     

流固耦合作用下的注水管路流激振动噪声数值模拟

大压差工况下,船舶内部液舱自流注水时管路振动噪声问题突出。采用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程,计算分析典型工况下注水系统管内流场。考虑管内液体对管道结构振动的影响,计算注水管路的“湿模态”。以管路壁面流体压力脉动作为激励源,基于有限元法对流固耦合作用下管道结构的振动和流激振动辐射噪声进行数值模拟。对阀门上下游不同监测点的流激振动噪声频谱进行分析,探究管路流激振动噪声产生、传播和衰减规律。分析结果表明:注水系统管道结构流激振动噪声沿管道传播基本无衰减;流激振动噪声频带较宽,主频率为80 Hz;管道结构的流激振动噪声整体幅值较大,需要采取增加弹性管卡等措施进行治理。     

水锤冲击时管路系统流固耦合响应的特征线分析方法研究

本文以Wiggert 和Hatfield[3]的特征线分析方法为基础,研究管路在水锤冲击下考虑泊松耦合时流体和结构的瞬态响应.推导了分别对应于管中流体压缩波和管壁中纵波的特征关系式和相容方程,并联合采用空间插值和显式时间插值进行数值求解.针对经典的水锤压力冲击的算例,将边界和初始条件离散化,编制了MATLAB程序进行计算,获得管道中流体压力和流速及轴向应力和振动速度的时程曲线,计算结果与理论分析相当吻合.根据计算结果,提出了对于实际管路设计和水锤防护有益的结论.鉴于特征线法本身的优势,有望在管路系统抗冲击设计分析和防护研究中得到进一步的应用.     

管壁不连续对管路中传播的弯曲波的隔离

采用梁弯曲振动的运动方程来求解管壁中传播的弯曲波,然后用传递矩阵的方法得出了弯曲波在通过管壁不连续段后的透射系数矩阵。利用边界条件,分析了管壁材料不连续段及其在管路中的布置情况对弯曲波透射系数的影响,并得出了如下结论:作为管路不连续段的铜管、铝管和挠性胶管都可以对管路中传播的弯曲波起到隔离作用,但它们也都有可能使振动放大。这与频率、边界条件和管路不连续段的布置密切相关;对极低频弯曲波的隔离是十分困难的,甚至是不可能的;管路不连续段的布置情况、管路边界条件(即支撑情况)和频率应当是管路隔振设计中需要特别注意的因素;挠性胶管在可以起隔离作用的条件下能够取得比铜管和铝管更低的透射系数和更大的位移补偿。     

Dynamic behavior of conveying-fluid pipes with variable wall thickness through circumferential and axial directions

In addition to the traditional hollow circular sections used in marine structures, other hollow sections have attracted the attention of architects and design engineers due to their mechanical characteristics such as torsional rigidity and local strength against impact loading. The purpose of this study is to investigate dynamic response of pipes conveying fluid with variable wall thickness through both circumferential and axial directions. Pipes with variable wall thickness have different flexural rigidities about two different principal axes. This property allows these pipes to be oriented efficiently, meet various design requirements and resist the applied loads. The results of this investigation provide a better insight into the physics and dynamic behavior of non-circular pipes conveying fluid. Two different geometries are studied, (i) the pipe is assumed with a general non-circular cross section with variable wall thickness along the circumferential direction, (ii) both inner and outer boundaries of the pipe cross section are assumed to be circles whereas the wall thickness of the pipe along axial direction is varied with a specified function. The governing differential equations of the problem are derived using Timoshenko beam theory with the effect of shear deformation included in the formulation. The discretization of the problem domain is done using the finite element method. Consequently, a modal analysis is employed to calculate the critical flow velocities of the pipe with clamped-clamped end conditions. The effects of different cross sections on the critical flow velocity are investigated. The importance of Coriolis forces on the presence of coupled-mode flutter and re-stabilization point are also discussed for different values of mass ratio.     

弯管中流体在简谐摇摆条件下的附加力模型分析

为了给浮动式核动力平台给水泵或凝水泵在海洋条件下的稳定运行提供计算依据，对弯管中流体在简谐海洋条件下所受附加力的模型进行了理论推导，根据模型推导结果对凝水泵入口管道中的一段弯管进行计算，并与直管中流体的附加力模型计算结果进行了对比。研究表明，直管与弯管模型计算的附加压降的差异幅度很小，差值随时间为周期性变化；摇摆周期越大，摇摆角度越小，弯管与直管的附加压降差别越小；在一般的工程计算中可将弯管近似为直管，从而简化计算。     

基于ANSYS的输流管道流固耦合特性分析

应用有限元分析软件ANSYS对输流管道在不同约束条件下进行流固耦合动力学模拟计算和模态分析,得到输流管道在不同约束方式下管壁特征点径向位移、应力与固支点反作用力历程图、固有频率及振型,计算结果对优化管道系统和维护管道系统运行有一定的指导意义。     

深海立管涡激振动疲劳损伤影响因素分析

根据我国南海、墨西哥湾和西非海域的流速沿深度方向的分布规律,利用涡激振动预报程序计算了立管在不同参数下的动力响应.在此基础上计算了立管沿长度方向涡激振动引起的疲劳损伤.分别讨论了立管顶部预张力、管内流体密度、管外流速分布、立管外径、立管壁厚等参数的变化对疲劳损伤的影响.结果显示立管顶部预张力、管外流速分布、立管外径对疲劳损伤的影响非常明显,而管内流体密度和立管壁厚因其变化范围有限,对疲劳损伤的影响没有上述三个参数显著.     

弧形防浪墙的迎浪面波压力数值模拟

以Navier-Stokes方程为控制方程,使用VOF方法追踪自由液面,对FLUENT进行二次开发,将各功能区的源项表达式添加到动量方程中,从而实现动量源造波和消波。模拟二阶Stokes波作用下不同断面形式防浪墙的流场和波压力,并将计算结果与物理模型试验数据进行对比,结果吻合较好。比较直立式和弧形防浪墙波浪压力数值计算结果可以发现,在相同水位和波浪要素情况下,作用在圆弧墙上的最大点压强明显大于直立墙,而且最大压强发生在圆弧部分,工程中应该对圆弧部分进行加固处理。     

Effects of longitudinal fins on dynamic stability of pipes conveying fluid made of functionally graded material

Dynamic behavior and instability of clamped-clamped pipes conveying fluid with longitudinal fins are studied in this paper. The analysis is done for pipes made of both homogeneous and functionally graded materials (FGM). In the FGM case, the materials of pipe and fins are assumed to be graded through the radial direction based on a power-law distribution. The Hamiltonian principle and Euler-Bernoulli beam assumptions are employed to derive the governing differential equations of the pipe system. Different fin configurations are investigated and the effects of several parameters including power‐law index, fluid velocity, number of fins, thickness and height of the fins are analyzed. Natural frequencies of the pipe and critical flow velocities are determined for various values of parameters. Numerical results show that the stability of the system is significantly affected by the power‐law index and fin dimensions. Among different fin configurations studied in this paper, the addition of non-horizontal fins provides significant improvement in the stability of both homogeneous and FGM pipes conveying fluid and consequently, can be considered as an effective “dynamic stabilizer” for the pipe system. In contrast to non-horizontal fins, the horizontal fins improve the stability of pipes conveying fluid, slightly.