流固耦合效應(yīng)下水力旋流器變徑圓管振動(dòng)特性研究.pdf

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1、240化工機(jī)械2015焦流固耦合效應(yīng)下水力旋流器變徑圓管振動(dòng)特性研究+邱亞?wèn)|”1王尊策1李翠艷2范雯洋3(1．東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2．渤海石油裝備巨龍鋼管有限公司；3．大慶石油第二采油廠)摘要應(yīng)用流固耦合理論，采用雙向耦合隱式算法研究在無(wú)支撐和有支撐兩種情況下外部激振對(duì)水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響。研究結(jié)果表明，罐體入口在小錐段前1／4區(qū)域垂直范圍內(nèi)時(shí)，能夠抑制管體振動(dòng)幅度，分別為無(wú)支撐時(shí)使管體最大位移量較無(wú)沖擊時(shí)減小2．5％和有支撐時(shí)使管體最大位移量較無(wú)沖擊時(shí)減小13．1％；在小錐段與尾管段交匯處添加支撐可以有效抑制管體振動(dòng)幅度達(dá)90％以上。關(guān)鍵詞水

2、力旋流器流固耦合振動(dòng)特性中圖分類號(hào)TQ051．8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0254—6094(2015)02旬240_05隨著我國(guó)各主力油田進(jìn)入中、高含水開(kāi)采階段，油田生產(chǎn)污水的處理已成為重大難題之一。水力旋流器在油田采出液分離和含油污水處理方面具有其他分離設(shè)備不可替代的作用。作為一種分離設(shè)備，人們希望在連續(xù)工作中獲得較高的分離效率，而高的分離效率需要有一個(gè)穩(wěn)定、合理的流場(chǎng)分布，但設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，由于其工作方式往往為多個(gè)管體并聯(lián)的形式，這樣單個(gè)管體就會(huì)受到內(nèi)部和外界的雙重干擾影響，致使其產(chǎn)生各種微小的振動(dòng)，從而使流經(jīng)設(shè)備的流場(chǎng)產(chǎn)生振蕩，而振蕩流又進(jìn)一步作用于設(shè)備，使設(shè)備產(chǎn)生振

3、動(dòng)。已有研究表明，這種流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)的相互作用會(huì)對(duì)水力旋流器的分離效率產(chǎn)生影響?，這也使得控制和利用流體與結(jié)構(gòu)設(shè)備之間的相互作用逐漸成為眾多學(xué)者關(guān)注和研究的課題舊。。。由于水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)工作環(huán)境的特殊性，使得其工作狀態(tài)下的振動(dòng)特性很難通過(guò)試驗(yàn)的方法獲得。筆者通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)水力旋流器進(jìn)行了流固耦合仿真模擬，得到了水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的振動(dòng)特性，為水力旋流器的合理安裝和使用提供了依據(jù)。1水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算模型水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)振源分布如圖1所示。待處理混合液經(jīng)由罐體入口進(jìn)入罐內(nèi)，成為外部來(lái)流，沖擊旋流器管體產(chǎn)生渦激力，后經(jīng)由旋

4、流器人口進(jìn)入旋流腔形成強(qiáng)旋流對(duì)管體產(chǎn)生自激力，同時(shí)產(chǎn)生分離作用，使得輕相介質(zhì)(油)經(jīng)由溢流口排出，重相介質(zhì)(水)經(jīng)由底流口排出。筆者采用經(jīng)典雙錐結(jié)構(gòu)，考慮流固耦合效應(yīng)的影響，以變徑圓管結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)其在無(wú)支撐和有支撐兩種情況下的振動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。輕相介質(zhì)出口罐體入口磚睜除瞻l(fā)II／重相介質(zhì)出口圖1水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)振源分布1．1管體結(jié)構(gòu)的有限單元法水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)為實(shí)體單元，單元女國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11172061，11402051)，黑龍江省教育廳項(xiàng)目資助項(xiàng)目(kyl20444)。{$邱亞?wèn)|，男，1987年10月生，碩士研究生。黑龍

5、江省大慶市，163318。第42卷第2期化工機(jī)械241內(nèi)的位移函數(shù)關(guān)系式可表示為：If}=[Ⅳ]{8}。(1)式中{廠}——單元內(nèi)任一點(diǎn)在坐標(biāo)方向的位移列向量；[Ⅳ]——形函數(shù)矩陣；{艿}?！獑卧獌?nèi)所有節(jié)點(diǎn)位移分量的列向量。管體結(jié)構(gòu)的位移函數(shù)建立后，利用彈性力學(xué)幾何方程、彈性力學(xué)物理方程和虛功原理，建立單元的節(jié)點(diǎn)力和位移關(guān)系式，即建立水力旋流器管體的平衡方程：{F}。=[k]{占}。(2)[％]=ff『[曰]7[D][曰]dxdydz(3)J式中{F}?！獑卧鞴?jié)點(diǎn)所有節(jié)點(diǎn)力分量組成的節(jié)點(diǎn)力列向量；[k]——單元?jiǎng)偠染仃嚒?．2結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程在對(duì)水力旋流器進(jìn)行流固耦合

6、分析時(shí)，需要考慮結(jié)構(gòu)在內(nèi)力和外力共同作用下的振動(dòng)情況，才能更好地確定結(jié)構(gòu)隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)對(duì)流體流動(dòng)的影響，結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程可表示為：[M]{6}+[c]{占}+[K]{占}={F，}+{F。}(4)式中[C]——阻尼矩陣；{F，}——流體對(duì)結(jié)構(gòu)的載荷；{F。卜_～外界隨時(shí)間變化的載荷；[M]——質(zhì)量矩陣；{艿}、{8}、6——隨時(shí)間變化的位移矢量、速度矢量和加速度矢量。2建模及模擬參數(shù)設(shè)置模擬基于Workbench平臺(tái)，采用雙向耦合隱式算法進(jìn)行模擬分析。模擬分析的對(duì)象為水力旋流器變徑圓管結(jié)構(gòu)，旋流腔直徑56mm、長(zhǎng)56mm，大錐錐角20。，大錐小徑14mm，小錐錐角1．50，小錐

7、小徑7mm，尾管長(zhǎng)度500mm，額定處理量4m3／h，管體材料為不銹鋼347，壁厚3mm，支撐方式為兩端固定。內(nèi)部流體為含油5％的油水混合液，分流比為5％，截面標(biāo)號(hào)和區(qū)域劃分如圖2所示。其中，A一日為擬沖擊區(qū)域，截面1—10為位移測(cè)點(diǎn)標(biāo)號(hào)。圖2截面標(biāo)號(hào)和區(qū)域劃分考慮水力旋流器在工作時(shí)其主要激振來(lái)源為內(nèi)部流體和外部沖擊的相互作用，筆者重點(diǎn)研究?jī)?nèi)流穩(wěn)定時(shí)外部沖擊對(duì)其振動(dòng)特性的影響規(guī)律，而外部沖擊對(duì)管體的影響以渦激振動(dòng)的形式體現(xiàn)出來(lái)。根據(jù)渦激振動(dòng)理論，取用斯托哈爾數(shù)St=0．2，升力系數(shù)C．=0．65，忽略曳力對(duì)管體的影響。計(jì)算得到