基于准二维模型的粘弹性管道瞬变压力波动分析
发布时间：2021-04-18 05:34
有压管道在城市市政系统中扮演着重要的角色,近些年随着管道生产设备和生产工艺的改进,有压管道的材质越来越多样化,其中具有粘弹力学特性的塑料管道应用越来越普遍,然而,粘弹性管道的水力动态特性相对传统弹性管道更加复杂。因此,本文基于管道瞬变流理论对粘弹性管道瞬变流的压力波动和能量损耗问题进行研究,主要研究内容如下:首先,本文基于粘弹性管道的本构模型结合一维拟稳态摩阻模型、非稳态摩阻模型以及准二维模型,分别建立一维粘弹性管道瞬变流模型和准二维粘弹性管道瞬变流模型。并将三种不同摩阻模型的模拟结果与文献中获得的实验结果进行对比,分析不同模型的优劣性。结果发现,相比于粘弹性管道的一维瞬变流模型,准二维模型在压力峰值、谷值和压力波周期等方面与实验值的拟合程度较高,可比较准确的模拟粘弹性管道瞬变流的压力波动过程。其次,本文对粘弹性管道瞬变流模型中的管道蠕变参数和压力波波速进行校核。基于文献中提供的力学实验测得的蠕变函数,采用遗传算法对不同实验条件下模型中的蠕变参数的元件个数从1到5分别进行校核。同时采用三种不同管材的波速计算方法,对模型中的波速进行计算,再将拟确定的波速值和校核得到的蠕变参数代入准二维粘...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
论文结构
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文10第2章粘弹性管道瞬变流模型本章结合Kelvin-Voigt粘弹模型，对粘弹性材料的力学性能进行的分析，管道摩阻模型采用准二维模型，建立粘弹性管道准二维瞬变流模型。边界条件为下游瞬时关阀，利用特征线法（MOC）方法求解准二维管道瞬变流节点压力和流量。并与文献中所获得的实验数据对比，分析模拟压力曲线与实验压力曲线在压力波峰值、谷值、衰减过程以及相位变化等方面的拟合程度，从而校核模型的准确性。2.1粘弹性管道力学模型Kelvin-Voigt模型是常用于分析固体粘弹性材料的徐变和松弛行为的模型，由于准确性较高和结构简单的特点，该模型在表示粘弹性材料的蠕变和延迟特性时被广泛使用。广义Kelvin–Voigt模型由弹簧和粘壶的组合形成，元件的数目越多，级数项越适用于描述管壁的粘弹性。如图2-1所示。图2-1广义Kelvin–Voigt模型线性粘弹性中，蠕变柔量（J）和松弛模量（G）只是时间的函数，不是应力或应变的函数。应用拉普拉斯变换可以得出蠕变函数。/01()(1)kvkNtkkJtJJe(2-1)式中J0—瞬时柔量，J0=1/E0（Pa-1）；Jk—第k个Kelvin–Voigt元件的蠕变柔量，Jk=1/Ek，Ek（Pa）为第k个弹簧的弹性模量（Pa-1）；τk—第k个粘壶的松弛时间（s）。粘弹性材料的应力应变关系与弹性材料有所不同，不遵循胡克定律，其应变由瞬时应e和延迟应变r两部分组成，如下式所示：()()ertt(2-2)其中，瞬时应变的计算公式为：e002eDHEEe(2-3)
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文212.3.2准二维模型求解沿正负特征线（即dxdta）对方程(2-62)和(2-64)积分得到准二维粘弹性瞬变流常微分方程，形式如下：221()1()2()0NEkdHaduarvaraAHVdtgdtgrrgrrg(2-65)Vardy和Hwang在求解微分方程(2-65)时所采用的的轴向和径向差分网格，如图2-2和图2-2所示。其中图2-2为管道在轴向的差分网格，与一维瞬变流模型的差分网格相同，都是沿管道长度L对管道进行平分，Nx为管道轴向分段数，计算其空间步长为Δx=L/Nx，时间步长为空间步长除以波速。图2-2为管道在径向的计算差分网格，该网格是将管道沿着径向分成Nr+1段，然后将得到的圆柱体厚度记为Δr。在圆形输水管道中，由于速度边界层的存在，使得越靠近管壁，流体的速度梯度就越大，所以为了更加准确地计算管壁处的切应力，本文所采用的径向差分网格是从管轴到管壁处逐渐加密，所以最终得到的圆柱体厚度Δr值是沿着管道径向逐渐变小的，越靠近管壁，圆柱体厚度越校此外，在每个差分出的圆柱体中，不同计算参数所处的位置有所不同，轴向速度u位于圆柱体横截面中点处，径向速度v和总粘度T均位于圆柱体沿径向靠近管壁的外表面处。图2-2轴向差分网格图2-3径向差分网格其中，对于径向差分网格，沿径向r和cr满足下列关系：301(1)/2(1)rrjjNNeerDe(2-66)1()/2cjjjrrr(2-67)式中j—表示管道径向网格的节点编号；
【参考文献】：
期刊论文
[1]黏弹性输水管道中含气瞬变流压力衰减分析[J]. 朱炎,吴晨光,袁一星,石振锋. 水利学报. 2018(03)
[2]中国塑料管道行业“十二·五”期间发展状况及“十三·五”期间发展建议[J]. 王占杰,赵艳,郭晶. 中国塑料. 2016(05)
[3]瞬变流中MIAB摩阻模型的数值模拟研究[J]. 黄伟,董亮,闫宇翔,张泽宇. 人民黄河. 2014(10)
[4]浅谈塑料管材承压性能检验的必要性[J]. 张枫林. 塑料制造. 2009(03)
[5]挠性橡胶管管壁对压力波传播速度的影响[J]. 陈刚,朱石坚. 振动与冲击. 2005(01)
[6]瞬变流摩阻计算及摩阻对水力瞬变的影响[J]. 刘刚,蒲家宁. 力学与实践. 2003(01)
[7]有压管道瞬变流摩阻的数值模拟[J]. 李进平,李修树. 人民长江. 2000(06)
[8]瞬变流动中水力摩损的影响研究[J]. 杨建设. 水利学报. 1999(02)
[9]国外有压瞬变流研究进展[J]. 索丽生. 河海科技进展. 1991(02)
本文编号：3144907
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
论文结构
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文10第2章粘弹性管道瞬变流模型本章结合Kelvin-Voigt粘弹模型，对粘弹性材料的力学性能进行的分析，管道摩阻模型采用准二维模型，建立粘弹性管道准二维瞬变流模型。边界条件为下游瞬时关阀，利用特征线法（MOC）方法求解准二维管道瞬变流节点压力和流量。并与文献中所获得的实验数据对比，分析模拟压力曲线与实验压力曲线在压力波峰值、谷值、衰减过程以及相位变化等方面的拟合程度，从而校核模型的准确性。2.1粘弹性管道力学模型Kelvin-Voigt模型是常用于分析固体粘弹性材料的徐变和松弛行为的模型，由于准确性较高和结构简单的特点，该模型在表示粘弹性材料的蠕变和延迟特性时被广泛使用。广义Kelvin–Voigt模型由弹簧和粘壶的组合形成，元件的数目越多，级数项越适用于描述管壁的粘弹性。如图2-1所示。图2-1广义Kelvin–Voigt模型线性粘弹性中，蠕变柔量（J）和松弛模量（G）只是时间的函数，不是应力或应变的函数。应用拉普拉斯变换可以得出蠕变函数。/01()(1)kvkNtkkJtJJe(2-1)式中J0—瞬时柔量，J0=1/E0（Pa-1）；Jk—第k个Kelvin–Voigt元件的蠕变柔量，Jk=1/Ek，Ek（Pa）为第k个弹簧的弹性模量（Pa-1）；τk—第k个粘壶的松弛时间（s）。粘弹性材料的应力应变关系与弹性材料有所不同，不遵循胡克定律，其应变由瞬时应e和延迟应变r两部分组成，如下式所示：()()ertt(2-2)其中，瞬时应变的计算公式为：e002eDHEEe(2-3)
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文212.3.2准二维模型求解沿正负特征线（即dxdta）对方程(2-62)和(2-64)积分得到准二维粘弹性瞬变流常微分方程，形式如下：221()1()2()0NEkdHaduarvaraAHVdtgdtgrrgrrg(2-65)Vardy和Hwang在求解微分方程(2-65)时所采用的的轴向和径向差分网格，如图2-2和图2-2所示。其中图2-2为管道在轴向的差分网格，与一维瞬变流模型的差分网格相同，都是沿管道长度L对管道进行平分，Nx为管道轴向分段数，计算其空间步长为Δx=L/Nx，时间步长为空间步长除以波速。图2-2为管道在径向的计算差分网格，该网格是将管道沿着径向分成Nr+1段，然后将得到的圆柱体厚度记为Δr。在圆形输水管道中，由于速度边界层的存在，使得越靠近管壁，流体的速度梯度就越大，所以为了更加准确地计算管壁处的切应力，本文所采用的径向差分网格是从管轴到管壁处逐渐加密，所以最终得到的圆柱体厚度Δr值是沿着管道径向逐渐变小的，越靠近管壁，圆柱体厚度越校此外，在每个差分出的圆柱体中，不同计算参数所处的位置有所不同，轴向速度u位于圆柱体横截面中点处，径向速度v和总粘度T均位于圆柱体沿径向靠近管壁的外表面处。图2-2轴向差分网格图2-3径向差分网格其中，对于径向差分网格，沿径向r和cr满足下列关系：301(1)/2(1)rrjjNNeerDe(2-66)1()/2cjjjrrr(2-67)式中j—表示管道径向网格的节点编号；
【参考文献】：
期刊论文
[1]黏弹性输水管道中含气瞬变流压力衰减分析[J]. 朱炎,吴晨光,袁一星,石振锋. 水利学报. 2018(03)
[2]中国塑料管道行业“十二·五”期间发展状况及“十三·五”期间发展建议[J]. 王占杰,赵艳,郭晶. 中国塑料. 2016(05)
[3]瞬变流中MIAB摩阻模型的数值模拟研究[J]. 黄伟,董亮,闫宇翔,张泽宇. 人民黄河. 2014(10)
[4]浅谈塑料管材承压性能检验的必要性[J]. 张枫林. 塑料制造. 2009(03)
[5]挠性橡胶管管壁对压力波传播速度的影响[J]. 陈刚,朱石坚. 振动与冲击. 2005(01)
[6]瞬变流摩阻计算及摩阻对水力瞬变的影响[J]. 刘刚,蒲家宁. 力学与实践. 2003(01)
[7]有压管道瞬变流摩阻的数值模拟[J]. 李进平,李修树. 人民长江. 2000(06)
[8]瞬变流动中水力摩损的影响研究[J]. 杨建设. 水利学报. 1999(02)
[9]国外有压瞬变流研究进展[J]. 索丽生. 河海科技进展. 1991(02)
本文编号：3144907
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