LNG管内流体诱导振动以及影响因素分析研究

发布时间：2020-06-27 19:05

【摘要】：随着国家能源结构调整,液化天然气(LNG)进口量增大,沿海LNG接收站不断建成。对于低温流体,LNG管内易产生两相流流动从而对管壁产生的变激振力,会使得管道长期受到交变应力从而引起破损,因此两相流诱导振动的研究对LNG管道运输安全有着重要意义。本文为了解决低温流体LNG诱导的管道振动问题,从研究LNG在不同影响因素条件下的流型出发,研究流体对管道的耦合作用。本文首先根据LNG运输过程,选取研究对象,建立物理模型、数学模型以及设定相关的仿真参数条件,利用CFD软件对不同因素条件下管内LNG流动状态进行了仿真分析,基于流固耦合方法运用有限元软件将LNG的流体分析与管道瞬态结构分析耦合计算,对管结构在流体作用下的动态响应特性进行分析。其次将仿真模拟结果作为正交分析水平值,通过正交设计方法设置仿真模拟中的因素组合,对仿真结果进行多因素敏感性分析,得到主要影响因素和次要影响因素。按照以上研究方法主要得出以下结论:(1)管内低温两相流在流过管道弯头会产生气泡的聚合与破灭,环境温度的升高、入口流速的增大、入口压力的降低都会使得管内低温流体的气化更明显;而入口流速的增大,增强了与环境换热效果,气化量会有增长趋势;在正常工况范围内,压力的变化对管内气化沸腾产生的影响明显。(2)液相流速增大或入口截面含气率降低,管内流型会从(波动)分层流流型—塞状流流型—泡状流流型依次转变,两相流之间的耦合作用依次增加。通过对管壁压力值的计算与对比,管壁所受塞状流激振力能级最高,其次是泡状流,分层流的激振力能级最小。(3)泡状流的相间耦合作用较小,管道的振动主要由两相流中的液相主导,管道在受到流体冲击之后,产生较大的振动,然后趋于平稳。入口流速、环境温度的增大和入口压力的减小均会导致管道振动强度的增大,管道入口水平方向两侧的交变应力均随之增大。(4)基于正交设计方案对影响管道振动强度的因素进行排列组合,并依次进行数值仿真,采用SPSS对仿真结果进行显著性分析,根据回归系数表中的显著性P值大小得出各因素的影响程度为:入口流速工况压力环境温度,并得到适用于泡状流流型的管道振动强度与各影响因素之间的线性回归方程。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE832
【图文】：

图 1-1 LNG 空温式气化器 图 1-2 LNG 管道阀件即使管道的设计在使用要求范围内，管道若受到振动导致的交变应力的长时间作用，也会产生疲劳损伤，尤其是在管道接口、焊缝等应力集中处，容易发生疲劳破坏，从而产生焊口开裂、管道断裂、流体泄漏，尤其是像天然气这种易燃易爆的可燃气体，可能会产生更大的破坏。1.2 国内外研究现状1.2.1 低温流体管内两相流动研究气液两相流在石油化工等工程领域较为常见，例如石油化工等工程中常用的管式加热炉和管壳式换热器内的管内沸腾流动。随着这些领域的发展，对管道系统输送低温液体的安全性、稳定性的要求越来越高[1]，多年来人们对气液两相流动开展了广泛的研究，也获得了较为丰富的结论，但大多数研究主要是以常温下的气液两相流动为研究对象，低温气液两相流动因其流动较为复杂而

图 1-1 LNG 空温式气化器 图 1-2 LNG 管道阀件即使管道的设计在使用要求范围内，管道若受到振动导致的交变应力的长时间作用，也会产生疲劳损伤，尤其是在管道接口、焊缝等应力集中处，容易发生疲劳破坏，从而产生焊口开裂、管道断裂、流体泄漏，尤其是像天然气这种易燃易爆的可燃气体，可能会产生更大的破坏。1.2 国内外研究现状1.2.1 低温流体管内两相流动研究气液两相流在石油化工等工程领域较为常见，例如石油化工等工程中常用的管式加热炉和管壳式换热器内的管内沸腾流动。随着这些领域的发展，对管道系统输送低温液体的安全性、稳定性的要求越来越高[1]，多年来人们对气液两相流动开展了广泛的研究，也获得了较为丰富的结论，但大多数研究主要是以常温下的气液两相流动为研究对象，低温气液两相流动因其流动较为复杂而

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本文编号：2731982