WATER HAMMER PRESSURE OF HYDRAULIC LIFTING PIPELINE IN DEEP-SEA MINING PILOT SYSTEM

深海采矿系统可能由于突然停泵、断电或机械故障等引起提升管道中流体速度瞬间变化, 导致管道内压力剧烈变化, 这种水击现象对管道破坏极大. 基于固液两相流体连续性原理和动量定理, 推导出含粗颗粒的固液两相流体管道水击压力的计算公式. 采用深海采矿中试系统参数, 模拟计算不同水体流速、不同流体浓度以及不同管径条件下的水击压力. 分析结果表明, 流速、体积浓度和管径是影响水击压力的重要因素, 其中, 流速影响最大. 研究结果可为深海采矿系统工程设计提供依据.     

基于水力瞬变与扩展卡尔曼滤波的管道流体监测与泄漏定位

引入一种长输管道流体监测与泄漏定位的新方法，将管道流动的瞬变流模型转化为状态空间模型的描述，以管线沿程流量、压强水头为状态变量，管道进口流量和出口压力视做非线性动态系统的控制输入，出口流量和进口压力观测序列构成系统的测量向量。基于小信号原理首先线性化处理非线性模型，然后用扩展的卡尔曼滤波器结合传统的双曲方程特征线解法估计泄漏尺寸与位置，并实时模拟出管道流体的压力流量过程及其沿管道的分布。试验和仿真算例表明此法模拟的管道流动状态能较快收敛到稳定状态，并且泄漏尺寸估计与定位的结果与给定值比较吻合。因此引入扩展的卡尔曼滤波能够提高瞬变流模拟管道非定常流动的准确性和跟踪能力。     

一种新的长输管道泄漏点定位方法

将压力梯度法与逆瞬态法结合,提出了适合长输管道的泄漏点定位方法. 该方法将泄漏点前后的摩阻系数以及泄漏流量系数看作优化控制变量、水击方程的数值计算结果与测量值之差的绝对值作为控制目标,利用遗传算法优选泄漏点前后的摩阻系数,与压力梯度法结合不断迭代求解泄漏点的位置. 通过输水管道的泄漏实验得到该方法漏点定位的平均误差为4%左右.      

软弱结构面表面形态与充填度的力学特性研究

将压力梯度法与逆瞬态法结合,提出了适合长输管道的泄漏点定位方法. 该方法将泄漏 点前后的摩阻系数以及泄漏流量系数看作优化控制变量、水击方程的数值计算结果与测量值 之差的绝对值作为控制目标,利用遗传算法优选泄漏点前后的摩阻系数,与压力梯度法结合 不断迭代求解泄漏点的位置. 通过输水管道的泄漏实验得到该方法漏点定位的平均误差为 4%左右.     

含分叉结构输水管道泄漏瞬态特性数值模拟

在输水工程中，由于地形、地质等因素的限制，分叉型结构管道得以广泛推广和应用，分叉结构输水管道泄漏是国内外学者非常关注的一个重要问题，而瞬变流法是目前高效、精确且快速的泄漏检测方法之一。基于此，本研究构建了含分叉结构输水管道的瞬变流模型，探究了影响阀门末端压力变化的因素。结果表明，压力曲线的差异性随分叉管长度的增加而增大；压力曲线的衰减速率随阀门关闭时间的增加而变慢；泄漏量对压力曲线变化周期影响不大，但随着泄漏量增大，压力曲线的面积积分变小；泄漏位置不同，压力曲线在幅值处的形状不同，当泄漏位置位于管道上半段时，曲线在幅值处会凸起，当位于管道下半段时，曲线在幅值处会出现凹陷的趋势。     

考虑关节摩擦的空间机器人动力学建模与参数辨识

研究了考虑关节摩擦影响的空间机器人系统的动力学建模与参数辨识问题．采用单向递推组集方法和虚功率原理建立了含有关节摩擦的多体系统动力学方程,推导了关节摩擦对系统动力学方程的贡献,采用基于腕力传感器信号和最小二乘法的辨识方法进行了系统惯性参数的辨识．数值仿真结果验证了数学模型的正确性与辨识方法的有效性．     

水锤作用下管路系统支撑处位移与输送速度的关系

以深海采矿扬矿垂直输送硬管在水力输送过程中的管道为研究对象,分析了管道系统在水锤冲击下考虑泊松耦合时流体和结构的瞬态响应;建立了管道系统在瞬变流情况下的流固耦合模型,获得了弱约束条件下支撑处管道位移随输送速度的变化关系。结果表明:随着输送速度的提高,当管道输送系统发生水击现象时,压力发生剧烈变化,导致管道支撑点处X、Y、Z三个方向的位移均大幅增加;X、Y方向位移呈现对称性,由于Z方向与轴向一致,水击发生时其位移变化较小;随着时间的延续,Z方向位移变化愈发明显;当采用较高输送速度输送矿石浆体时,管道与两相流浆体相耦合的振幅较大。以上结果可为管道设计中的支撑结构设计提供参考。     

地下爆炸气体输运的一种双孔隙度数学模型

考虑气体在压力驱动下的渗透、气体和岩体的热传导以及气体的扩散,建立了用于模拟地下爆炸气体输运的二维轴对称双孔隙度双渗透率数学模型,并编制了数值模拟程序;研究了参数在取值范围内变化对计算结果的影响。结果显示：泄漏到地表的气体随着裂隙区域圆心角的增大而先增大后减小,随裂隙渗透率的增大而增大,随介质孔隙度和孔隙渗透率的增大而减小。用该模型对一次砂砾岩中地下爆炸实验气体的泄漏行为进行了数值模拟。将数值模拟结果与气体泄漏实测结果进行对比,反推出当地介质的裂隙渗透率在4×10^-11 m2～5×10^-11 m2之间。利用反推得到的介质参数,可以对同类介质中地下爆炸气体泄漏行为进行预测。     

基于FSI的4-方程模型的改进分析

传统水击理论所用的连续方程未能反映水击发生时管道内存在的液体压力波速、管道应力波速、流体波速,且进行了大量的简化却不能更好地反应管道系统的实际运动状态。本文主要基于现有的水击计算理论及其耦合理论,在考虑管道纵横两个方向都反映水击耦合特性的情况下,利用特征线法,求出耦合波速;并在推导新的连续方程时将求出的耦合波速替代推导传统4-方程模型的连续性微分方程时水击波速与流速的关系,得到新的连续方程;并忽略高次微量和压力梯度等对新的连续方程进行一定简化,与简化后的流体动量方程、管道运动方程和物理方程构成了改进的轴向4-方程模型。将改进模型求解出的耦合波速与经典模型的进行比较,结果表明两耦合波速相近,但改进模型在考虑管道纵横两个方向都反映水击耦合特性的因素后,理论上会更严瑾、更合理。     

三球面试验方法在加速度计模型辨识中的应用

利用双轴精密离心机能产生不同加速度的特点,研究了在不同加速度半径的球面上选取测试点,应用D-最优准则辨识加速度计数学模型参数的方法,能辨识出加速度计数学模型的全部参数,解决了加速度计在转台上测试时由于信息矩阵降秩而不能辨识出模型全部参数的问题。     

基于GPU加速的三阶有限体积格式管道瞬变流求解模型

为高效和高精度求解长距离输水系统瞬变流变化过程,应用三阶ENO有限体积格式求解一维管道非恒定流方程组,基于Lax-Friedrichs通量裂分法重构界面通量,上下游界面采用虚拟网格技术并结合交叉管网边界条件建立了一套高效和高精度求解管道瞬变流水锤波的数值模型。引入GPU加速技术,实现对大型输水系统的高效计算。通过特征线法、一阶及二阶Godunov有限体积格式对模型进行验证,结果表明,三阶ENO格式在极低的Courant数时也能保持较好的间断捕捉性能且无非物理振荡。同时,对Courant数的高度不敏感性,使得模型划分网格时具有高度的灵活性并能显著提高计算速度。应用GPU加速技术,发现模型在较多网格数时有明显的加速效果,且加速效果随网格数增多而显著。本文模型可为长距离输水系统非恒定瞬变过程的高效精准快速模拟预测提供理论支撑。     

Attenuation analysis of hydraulic transients with laminar-turbulent flow alternations

An improved compound mathematical model is established to simulate the attenuation of hydraulic transients with laminar-turbulent alternations,which usually occur when the pipeline flow velocity fluctuates near the critical velocity.The laminar friction resistance and the turbulent friction resistance are considered respectively in this model by applying different resistance schemes to the characteristics method of fluid transient analysis.The hydraulic transients of the valve closing process are simulated using the model.A more reasonable attenuation of hydraulic transients is obtained.The accurate attenuation is more distinct than that obtained from the traditional mathematical model.The research shows that the hydraulic transient is a type of energy waves,and its attenuation is caused by the friction resistance.The laminar friction resistance is more important than the turbulent friction resistance if the flow velocity is smaller than the critical velocity.Otherwise the turbulent friction resistance is more important.The laminar friction resistance is important in the attenuation of hydraulic transients for the closing process.Thus,it is significant to consider the different resistances separately to obtain more accurate attenuation of hydraulic transients.     

时域自适应算法求解移动荷载下梁的多宗量反问题

通过一种时域自适应算法,建立了求解变速移动荷载下梁的多宗量反问题的数值模型,可同时识别移动荷载和梁的物性参数.正问题采用时域自适应算法和FEM建模,并可由此方便地推导敏度公式;在反问题求解中采用Levenberg-Marquardt法,计算表明该方法具有较好的抗不适定性.通过两个算例,对所提算法进行了数值验证,并探讨了噪声和测点的变化对反演结果的影响,结果令人满意.     

Numerical computation of fluid pressure transients in pumping installations with air entrainment

In pumping installations such as sewage pumping stations, where gas content and air entrainment exist, the computation of fluid pressure transients in the pipelines becomes grossly inaccurate when constant wave speed and constant friction are assumed. A numerical model and computational procedure have been developed here to better compute the fluid pressure transient in a pipeline by including the effects of air entrainment and gas evolution characteristics of the transported fluid. Free and dissolved gases in the fluid and cavitation at the fluid vapour pressure are modelled. Numerical experiments show that entrained, entrapped or released gases amplify the pressure peak, increase surge damping and produce asymmetric pressure surges. The transient pressure shows a longer period for down-surge and a shorter period for up-surge. The up-surge is considerably amplified and the down-surge marginally reduced when compared with the gas-free case. These observations are consistent with the experimental observations of other investigators. Numerical experiments also show that the use of a variable loss factor in the pressure transient analysis produces marginally higher maximum and lower minimum pressure transients when compared with the constant-loss-factor model for pipelines where the pressures are above the fluid vapour pressure.     

瞬态热传导问题的精细积分数值流形方法研究

数值流形方法（NMM）因其特有的双覆盖系统（数学覆盖和物理覆盖）在域离散方面具有独特的优势,而精细时间积分法则具有精度高、无条件稳定、无振荡以及计算结果不依赖于时间步长等特点。发展了用于研究二维瞬态热传导问题的精细积分NMM。结合待求问题的控制方程和边界条件,并基于修正变分原理导出了NMM的总体方程,给出了求解此类时间相依方程的精细时间积分及空间积分策略,选取了两个典型算例对方法的有效性进行了验证,结果表明本文方法可以高效高精度地求解瞬态热传导问题。     

A finite element method for transient compressible flow in pipelines

A finite element method is developed to solve the partial differential equations describing the unsteady flow of gas in pipelines. Excellent agreement is obtained between simulated results and experimental data from a fullscale gas pipeline. The method is used to describe very transient flow (blowout), and to determine the performance of leak detection systems, and proves to be very stable and reliable.     

瞬变流摩阻计算及摩阻对水力瞬变的影响

摩阻损失的精确计算对于长输管道的水力瞬变分析是很重要的一个环节、过去为减少计算工作量，采用固定摩阻系数和流量一阶近似法计算瞬交流摩阻，精度有限．本跟踪液流流态变化，采用变摩阻系数和流量二阶插值法计算瞬交流摩阻，提高了摩阻计算精度．同时，从理论上分析了管道摩阻对水力瞬变的影响，澄清了一些模糊认识．     

Transient response of a ship to an abrupt flooding accounting for the momentum flux

Numerical non-linear time domain simulation method for damaged ship motions is presented. Floodwater motion modelling is based on the lumped mass method with a moving free surface. The ship and floodwater motions are fully coupled. The variation of the floodwater mass is accounted for. A model to account for the flooding ingress transporting the momentum is presented. The experiments of abrupt flooding have shown that the ship may experience the first large roll towards the undamaged side, especially when a large undivided compartment is flooded. The presented time domain model is validated against the experimental data on the roll damping of the flooded ship and transient flooding. Two different initial stability conditions and two different compartment layouts are studied. Viscous dissipation of the floodwater motions is modelled with an equivalent friction coefficient. The impact of the viscous damping is studied. Transient flooding tests show that the inflow momentum has to be accounted for when the undivided compartment is flooded. The simulation model is capable of capturing the impact of the inflooding jet and the first roll on the opposite side of the damage is reproduced.