海洋复合波纹管内流特性分析与结构优化设计

发布时间：2017-10-05 12:35

  本文关键词：海洋复合波纹管内流特性分析与结构优化设计

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【摘要】：海洋复合波纹柔性管道是海洋工程装备中油气传输的“血管”,是进行深远海油气开发的关键装备之一。针对我国南海极其复杂的海洋环境,浮式液化天然气生产储卸装置(FLNG)是南海油气开采的新型模式,其中FLNG复合波纹管道用于液化天然气卸载过程中相互连接的运输船舶之间,能够快速进行LNG持续有效输送。FLNG复合波纹管道的传输性能直接影响海洋油气开发的经济性与安全性,因此详细研究分析管道工作过程中内部流体传输时的流动特性以及管体力学性能对于实际工程设计具有重要指导意义。首先,本文针对复合波纹管道内部流体的流动特性进行理论分析和计算流体力学(CFD)数值研究模型建立。其次,在实际工况中不同结构的复合波纹管道传输性能差别巨大,但我国没有成熟的FLNG复合波纹管设计规范及工程应用实例,所以使用FLUENT针对不同结构参数的管道开展内流特性的详细计算研究十分必要。通过建立波纹管三维数值计算模型,对比分析得到管道的波型、波高、波距等结构参数对于管内流动压降和流阻系数的具体影响规律,这能够为FLNG复合波纹管道传输卸载过程的基本设计提供有益参考。海洋复合波纹管道在LNG船之间的传输过程中不仅需要考虑内部流体的通流性能,还必须保证在海洋复杂工况条件下管道不会出现力学结构破坏及异常工况失效。已有文献中针对管道本身的结构力学性能分析比较充分,但少有研究内流特性在管道设计中的关键影响因素。本文在考虑复合波纹管内流特性影响的基础上,进行管道内流特性与弯曲性能的多目标结构优化设计；通过计算不同结构参数下的波纹管弯曲性能,确定波纹高度和波纹间距作为设计变量,建立波纹管多目标优化模型。采用代理模型和多种优化算法,获得提高波纹管性能的设计参数与多目标优化的Pareto解前沿,并详细对比研究各种优化算法的计算效率以及解集质量。最后,简要总结FLNG复合低温波纹管道的基本实验类型和实验方法,主要包括低温材料实验、静态力学性能测试、动态疲劳和振动冲击实验、流动保障性实验以及模拟实际工况的测试等。这为下一步波纹管内流特性实验测试平台的搭建打下基础,使波纹管的结构设计可以更好适应于工程实际应用。
【关键词】：复合波纹管道 内流特性 CFD数值模拟 结构优化设计 实验类型
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE95
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 研究背景与意义9-11
• 1.2 海洋复合波纹管道基本结构形式11-15
• 1.3 复合波纹管道内流特性及失效问题15-16
• 1.4 FLNG复合波纹管道应用进展和研究现状16-19
• 1.4.1 FLNG卸载系统的波纹管道应用进展16-17
• 1.4.2 波纹管内部流体流动特性的研究现状17-18
• 1.4.3 波纹管结构优化设计的研究现状18-19
• 1.5 本文主要研究内容19-20
• 2 复合波纹管道内流特性计算的理论基础与数值模拟方法20-30
• 2.1 管内流体流动特性计算的理论基础20-22
• 2.2 计算流体力学概述和基本控制方程22-24
• 2.3 湍流计算方法和模型24-26
• 2.4 FLUENT软件简介与应用26-27
• 2.5 管道内部流体的物性参数选择27-28
• 2.6 边界条件确定和求解计算设置28-29
• 2.7 本章小结29-30
• 3 复合波纹管道内流特性的CFD数值模拟计算与结果分析30-47
• 3.1 管道几何模型建立与网格划分30-32
• 3.2 长直圆管的数值计算结果分析研究32-33
• 3.3 不同波纹形状的计算结果对比分析33-38
• 3.4 不同波高波距的计算结果对比分析38-42
• 3.5 带螺旋的波纹管计算结果分析42-44
• 3.6 弯曲波纹管的计算结果分析44-46
• 3.7 本章小结46-47
• 4 考虑内流特性影响的复合波纹管道结构多目标优化设计47-59
• 4.1 优化设计方法概述47-50
• 4.1.1 多目标优化问题47-48
• 4.1.2 代理模型和试验设计方法48-49
• 4.1.3 多目标优化算法49-50
• 4.2 波纹管道优化设计模型的建立50-54
• 4.2.1 设计变量和目标函数确定50-52
• 4.2.2 波纹管优化设计数学模型52-54
• 4.3 多目标优化计算结果的分析研究54-57
• 4.4 本章小结57-59
• 5 FLNG海洋复合波纹管道实验测试方法59-62
• 5.1 复合波纹管道的实验方法与测试平台59-61
• 5.2 本章小结61-62
• 结论62-64
• 参考文献64-67
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况67-68
• 致谢68-70

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本文编号：976843