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

【摘要】：管道是廣泛應用在石油、化工和冶金等行業(yè)中的流體輸送設備。流體中含有的大量固體顆粒雜質,導致管道在工作中極易出現(xiàn)嚴重的沖蝕磨損現(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,以保障管道運輸?shù)陌踩?是研究者長期以來關注的焦點問題。自然界中的生物在進化過程中形成了一些與其生活環(huán)境相適應的特征,學習和模仿這些典型特征,并將其應用于改善機械零部件的功能特性上,已經成為解決工程技術難題的一種新手段。本文運用仿生學思想,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云數(shù)據,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,分析顆粒運動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沖擊力降低了18%,顆粒碰撞次數(shù)減少了11%,貝殼棱紋產生的低速旋流區(qū)域改變了顆粒的運動軌跡和沖擊速度,從而使貝殼具有較強的耐沖蝕磨損性能。選取流速和顆粒直徑兩個因素,根據石油管道的工作條件,應用FLUENT軟件中離散相模型(DPM)模擬了標準彎頭內部流場及其表面沖蝕率。分析發(fā)現(xiàn)彎頭內出現(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,且沖蝕率隨彎頭角度的增大而升高。設計了由管道系統(tǒng)、信息采集電氣系統(tǒng)和運行狀態(tài)監(jiān)測記錄系統(tǒng)組成的專用沖蝕磨損試驗臺。將紅、黃、藍三種顏色的乳膠漆和石膏粉混合后依次均勻涂抹在試驗彎頭內表面,制備了沖蝕磨損試驗彎頭樣件。在不同流速和顆粒直徑的條件下進行試驗,并將試驗結果與數(shù)值模擬沖蝕率云圖對比分析,發(fā)現(xiàn)兩者沖蝕磨損的強度和出現(xiàn)位置基本一致,驗證了數(shù)值模擬計算方法的可行性和所選用模型的正確性。根據貝殼耐沖蝕磨損機理和光滑彎頭沖蝕磨損出現(xiàn)位置,設計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。運用試驗優(yōu)化設計方法對肋條參數(shù)進行優(yōu)化,通過極差分析得出影響相對沖蝕率的主次因素順序為肋條數(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號試驗件耐沖蝕磨損性能提高了5.84%。通過正交多項式回歸分析,得到相對沖蝕率與各試驗因素間的回歸方程。將仿生彎頭與光滑彎頭進行對比分析,初步揭示了仿生樣件耐沖蝕磨損機理:肋條間產生的低速旋流區(qū)域改變了粒子運動軌跡,同時降低了顆粒沖擊彎頭壁面的速度;同時主流區(qū)域流速增大,增強了顆粒的跟隨性;流場的變化使得顆粒的運動軌跡向外側偏移程度降低,減少了顆粒與彎頭壁面碰撞機會。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：U173;Q811

【參考文獻】

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本文編號：1580448