本文選題：仿生　切入點(diǎn)：管道彎頭　出處：《吉林大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：管道是廣泛應(yīng)用在石油、化工和冶金等行業(yè)中的流體輸送設(shè)備。流體中含有的大量固體顆粒雜質(zhì),導(dǎo)致管道在工作中極易出現(xiàn)嚴(yán)重的沖蝕磨損現(xiàn)象,由此引發(fā)的事故頻繁出現(xiàn)。彎頭是管道系統(tǒng)中不可缺少的組成部分,有研究表明其沖蝕磨損率比直管部分高50倍,成為管路中出現(xiàn)減薄穿孔最常見的部位。如何提高管道彎頭的耐沖蝕磨損性能,以保障管道運(yùn)輸?shù)陌踩?是研究者長(zhǎng)期以來關(guān)注的焦點(diǎn)問題。自然界中的生物在進(jìn)化過程中形成了一些與其生活環(huán)境相適應(yīng)的特征,學(xué)習(xí)和模仿這些典型特征,并將其應(yīng)用于改善機(jī)械零部件的功能特性上,已經(jīng)成為解決工程技術(shù)難題的一種新手段。本文運(yùn)用仿生學(xué)思想,探索提高管道彎頭耐沖蝕磨損性能的方法,具體開展了以下研究:選取生活在泥沙環(huán)境中的扇貝作為生物原型,應(yīng)用逆向工程方法,使用三維掃描儀獲取棱紋貝殼和光滑貝殼表面點(diǎn)云數(shù)據(jù),建立三維幾何模型,并用FLUENT-EDEM耦合方法模擬兩種貝殼表面多相流流場(chǎng),分析顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及貝殼表面受力。研究表明,棱紋方向垂直于來流方向的貝殼在水流中具有較好的穩(wěn)定性,相比于光滑貝殼,顆粒撞擊貝殼表面的合計(jì)沖擊力降低了18%,顆粒碰撞次數(shù)減少了11%,貝殼棱紋產(chǎn)生的低速旋流區(qū)域改變了顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和沖擊速度,從而使貝殼具有較強(qiáng)的耐沖蝕磨損性能。選取流速和顆粒直徑兩個(gè)因素,根據(jù)石油管道的工作條件,應(yīng)用FLUENT軟件中離散相模型(DPM)模擬了標(biāo)準(zhǔn)彎頭內(nèi)部流場(chǎng)及其表面沖蝕率。分析發(fā)現(xiàn)彎頭內(nèi)出現(xiàn)了速度分離和二次流現(xiàn)象,沖蝕磨損區(qū)域主要集中在彎頭10~90°范圍內(nèi),且沖蝕率隨彎頭角度的增大而升高。設(shè)計(jì)了由管道系統(tǒng)、信息采集電氣系統(tǒng)和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)記錄系統(tǒng)組成的專用沖蝕磨損試驗(yàn)臺(tái)。將紅、黃、藍(lán)三種顏色的乳膠漆和石膏粉混合后依次均勻涂抹在試驗(yàn)彎頭內(nèi)表面,制備了沖蝕磨損試驗(yàn)彎頭樣件。在不同流速和顆粒直徑的條件下進(jìn)行試驗(yàn),并將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬沖蝕率云圖對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)兩者沖蝕磨損的強(qiáng)度和出現(xiàn)位置基本一致,驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算方法的可行性和所選用模型的正確性。根據(jù)貝殼耐沖蝕磨損機(jī)理和光滑彎頭沖蝕磨損出現(xiàn)位置,設(shè)計(jì)了肋條方向垂直于管流方向且肋條分布在10~90°區(qū)域的仿生彎頭。運(yùn)用試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)肋條參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,通過極差分析得出影響相對(duì)沖蝕率的主次因素順序?yàn)槔邨l數(shù)目(C)、肋條直徑(D)、流速(A)、顆粒直徑(B),最優(yōu)組合為:C=10,D=1.5mm,A=7m/s,B=0.5mm,其中3號(hào)試驗(yàn)件耐沖蝕磨損性能提高了5.84%。通過正交多項(xiàng)式回歸分析,得到相對(duì)沖蝕率與各試驗(yàn)因素間的回歸方程。將仿生彎頭與光滑彎頭進(jìn)行對(duì)比分析,初步揭示了仿生樣件耐沖蝕磨損機(jī)理:肋條間產(chǎn)生的低速旋流區(qū)域改變了粒子運(yùn)動(dòng)軌跡,同時(shí)降低了顆粒沖擊彎頭壁面的速度;同時(shí)主流區(qū)域流速增大,增強(qiáng)了顆粒的跟隨性;流場(chǎng)的變化使得顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡向外側(cè)偏移程度降低,減少了顆粒與彎頭壁面碰撞機(jī)會(huì)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：U173;Q811

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1580448