基于瞬变流和遗传算法的管道泄漏辨识

输水系统管道的泄漏影响瞬变水击波波形的畸变和衰减特性,对泄漏的定位和定量是泄漏辨识研究的重要环节.考虑水力瞬变中非恒定摩阻的影响,将泄漏参数反映在建立的管道瞬变流时域数学模型中,给出离散网格和求解方法,分析不同泄漏参数对瞬变水击波的影响,用遗传算法结合瞬变流时域模型的特征线法最小化管道测点压力实测和计算响应值的均方误差来辨识泄漏参数,其中实测信号首先经过预滤波和小波去噪处理.通过模型试验对瞬变流数学模型和泄漏反问题分析模型作了率定和验证,结果表明此法能有效的辨识出小泄漏参数,并且检测信号主动,阀门扰动可操作性强.     

球阀不同开度下自流注水管路流固耦合动力学特性研究

以输流管道、电液球阀等附件组成的自流注水复杂管路系统为研究对象,基于流固耦合理论,利用有限元软件ANSYS建立系统仿真计算模型并研究其动力学特性。由于管路不同位置的动力学特性不同,本文根据所建立的有限元模型计算球阀不同开度对管路同一位置流体的压力和速度的影响,并比较不同位置在球阀固定开度时的流体特性。结果表明:阀前弯头的流体压力随阀门开度的增加而减小,阀后弯头随阀门开度的增加而增大;当阀门开度固定时,管路不同位置的流体压力分别以球阀(固定开度≤50%)、大小头(固定开度为50%)为分界点呈现不同的趋势。根据流固耦合理论计算球阀不同开度下自流注水管路结构的振动情况,结果发现阀门开度为50%时在0.5s比其他开度多出现一次激振,且加速度幅值较其它开度明显增大。     

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。     

串联管道串联阀芯受瞬变压力研究

结合成品油停输再启动特性,建立了成品油控制体运动方程、连续方程,提出了串联阀芯流阻系数模型。通过差分方法对其编程求解,以串联管道串联阀芯为例,得出了串联阀芯受瞬变压力变化规律,探讨了停输再启动输油管路瞬变压力震荡衰减问题。以一个具体的工程实例进行研究,结果表明:串联管道串联阀芯线性关闭较单阀门线性关闭产生的最大瞬变压力由5.6MPa减至4.3MPa,减少了30.23%;管路瞬变压力震荡过程中,随着流体可压缩性的增大,流体的振幅衰减加剧,在43.2s时间内,瞬变压力最大峰值由4.85MPa减至1.28MPa;双阀门停输再启动中延长任一个阀门启闭时间均可使最大瞬变压力减小;对于相同关阀计划,阀芯流量系数越平缓,阀芯受瞬变压力越小。     

高压氢气泄漏自燃形成喷射火的实验研究

为了探究高压氢气泄漏发生自燃时所需的临界初始释放压力随管道长度的变化规律,了解管内自燃火焰向管外喷射火焰转变的发展过程,本文利用压力、光电以及高速摄像等测试系统展开实验研究。实验结果表明：当管道长度相同,初始释放压力较低时,氢气泄漏不容易发生自燃;随着管道长度的增加,氢气发生自燃时的临界初始释放压力先缓慢减小后迅速增大;当管道长度一定时,初始释放压力越大,激波传播速度越快,氢气管内自燃的位置距离爆破片越近;气流通过激波马赫盘后,火焰燃烧加剧;随着时间的增加,火焰长度呈现先增大后逐渐减小的变化趋势,喷射火焰尖端的平均传播速度逐渐减小;火焰宽度呈现先增大后迅速减小至稳定值的变化规律。

     

基于二阶滑移边界的螺旋槽干气密封泄漏量计算与分析

为解决螺旋槽干气密封流场计算中一阶线性滑移边界条件下得到的泄漏量与实验结果之间存在较大误差的问题,在一阶线性滑移边界条件的基础上,推导出二阶非线性滑移边界条件下的修正的广义雷诺方程,应用迭代法、PH 线性化方法等求解非线性雷诺方程,获得了气膜压力、流速、泄漏量的近似解.利用Maple程序计算了工程实例中不同转速和不同压力情况下的泄漏量,并与一阶线性滑移边界条件下的泄漏量和实验数值进行比较.结果表明:在工程实例中,压力相同时,泄漏量随转速的增大而增大,一、二阶最大相对误差分别为14.4%、5.4%;转速相同时,泄漏量随压力的增大而增大,一、二阶最大相对误差分别为33.3%、13.3%.本文未考虑干气密封内部的振动情况,因此一、二阶理论计算值小于实际测试值.二阶非线性滑移边界条件下的泄漏量值比一阶线性滑移边界条件下的泄漏量值更加接近实验数值,特别是在工程实例中转速、压力较低的工况下更加明显.     

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。     

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。     

机械密封热力耦合有限元模型与密封性能分析

以接触式机械密封为研究对象,考虑密封环的热力变形和液膜温度、厚度等的耦合关系,建立了二维轴对称热力耦合计算模型,采用有限元与数值迭代技术实现了模型的数值解算,研究了密封端面热力变形规律,分析了不同密封压力下的密封性能.结果表明:热力耦合变形作用下,端面形成收敛型泄漏间隙,最小膜厚位于端面内靠近内径侧位置,最高温度位于最小膜厚处;随密封压力的增大,端面最小膜厚减小,端面最大温升、摩擦扭矩和泄漏率相应增大.采用的模型和计算方法可用于海洋装备用机械密封结构的优化设计.     

跨断层埋地油气管道屈曲行为研究

为研究断层作用下埋地管道失效模式,建立了管土耦合三维数值计算模型,分析了不同地层位错量下无压和压力管道的力学行为及失效模式。结果表明:断层运动下埋地管道发生弯曲变形,并非完全与围土接触,整个管段摩擦力并非均匀分布;随着位错量增大,管道变形曲线由S形变为Z形,同时管道轴向应力逐渐增大;当位错量大于4D时,无压管道出现两处压溃,其变形过程分为弯曲状态、临界状态、压溃状态;不同内压管道呈现出不同屈曲形貌,随内压增大,管道屈曲形貌由压溃变为皱起;当内压大于0.4P_(max)时,管道屈曲部位出现一道皱起,内压越大,起皱幅度越大;压力管道变形过程可分为弯曲状态、临界状态、起皱状态。该研究结果可为跨断层埋地管道施工设计、安全评价、维修防护等提供参考和依据。     

潮流能发电平台的水动力特性及动力响应分析

运用水动力学软件AQWA对潮流能发电平台进行了频域分析,得到不同重心高度、不同水深、遭遇不同浪向角条件下平台各自由度幅值响应算子随波浪圆频率的变化曲线。再对平台进行了风浪流联合作用下的时域耦合分析,研究不同系泊角度对平台运动响应和系泊缆张力的影响。计算结果表明:纵荡幅值响应算子峰值随浪向角的增大而逐渐减小,横荡幅值响应算子峰值随浪向角的增大而增大,纵荡、横荡上主要表现为与波浪的低频共振,浪向角较小会产生较大的垂荡运动、纵荡运动、纵摇运动,浪向角较大会导致较大的横摇运动;水深小于10m时,海底对波浪的反射作用对平台纵荡和艏摇运动影响比较明显;小范围内的重心高度变化对平台各自由度幅值响应算子影响较小。当系泊角度为45°时,系泊系统对平台运动响应的控制更好,且此时系泊系统的安全系数最大,主要系泊缆受力更加合理,平台更安全。     

微造型表面上气穴发生机理初步研究

利用扩展的气穴方程初步研究了微造型表面上气穴发生的机理。使用连续卷积快速傅里叶变换(CC-FFT)求解表面的弹性变形,同时验证计算程序的有效性。数值结果表明：气穴易在微造型的几何形状发散处发生;气穴的发生与微造型的幅值和位置密切相关。较大的流场长宽比会使气穴区宽度增加;气穴化的面积会随着微造型幅值的增大而减小,但最终趋于稳定值。     

微动磨损对过盈配合结构微动参量的影响

基于Archard磨损模型与Abaqus自适应网格技术建立了仿真分析过盈配合结构微动磨损的计算模型,对配合面轮廓随循环周次的变化进行了预测,并详细研究了微动磨损对接触压应力、摩擦剪切应力及微动滑移幅值等微动参量的影响.结果表明:该计算模型能够较为准确地对配合面轮廓随循环周次的变化进行预测;由于微动磨损的作用,配合边缘处接触压应力的峰值逐渐增大,且其位置逐渐向配合内部移动;摩擦剪切应力的最大值逐渐由黏着-滑移过渡位置向磨损-未磨损过渡位置移动;张开区域的宽度以及滑移区内各位置处的微动滑移幅值均随着循环周次的增加而增大.     

高超声速稀薄流中横向喷流干扰特性实验研究

喷流干扰是高超声速飞行高精度控制的一种有效手段,研究者们以往大部分都主要集中于连续流条件下喷流干扰效应的机理研究,并给出了喷流干扰流场的典型结构,而稀薄流条件下喷流干扰特性的实验数据还十分匮乏.本文利用JFX爆轰激波风洞产生高超声速稀薄自由流,基于平板模型开展不同喷流压力和自由来流参数对横向喷流干扰特性影响的实验研究,采用高速纹影成像及图像处理技术,获得稀薄流条件下喷流干扰流场演化过程及流场结构的变化规律.相比于无喷流条件形成的流场,横向喷流与稀薄自由流相互作用形成的流场结构更为复杂,喷流压力由于受到稀薄来流的扰动,斜激波会短暂穿透喷流干扰流场并延伸至楔形体上部.喷流干扰流场内桶状激波的影响范围随着喷流压力的升高而逐渐变宽,位于三波点上游的斜激波空间位置不会随喷流压力的变化而改变,而位于三波点下游的弓形激波则向上游移动,当喷流压力过低时,桶状激波不会与其他两种激波交汇形成三波点.高超声速稀薄来流压力的降低同样会使桶状激波的影响范围变宽,弓形激波同样也会向上游移动,但基本不会对斜激波空间位置产生任何影响.     

破膜压力对氢气-甲烷-空气泄爆的影响

选取了300 mm×300 mm×1000 mm、顶部设有250 mm×250 mm泄爆口的管道,用不同厚度的铝箔密封泄爆口,注入氢气-甲烷-空气混合气体,进行泄爆实验,研究了0~44 kPa的爆破压力($ {p}_{\mathrm{v}} $)对火焰演化和管道内外压力变化的影响。结果表明,$ {p}_{\mathrm{v}} $会显著影响管道中火传焰播过程以及压力-时间变化曲线;所有实验中均观察到了内部压力的亥姆霍兹振荡,振荡频率随着${p}_{{\rm{v}}}$的增加而增大;当$ {p}_{\mathrm{v}} $≥12 kPa时会出现频率约为1200 Hz的声学振荡。对于某一确定的$ {p}_{\mathrm{v}} $,管道内最大内部超压随至泄爆口距离增加而增大;靠近泄爆口处和管道中心的最大内部超压几乎随着$ {p}_{\mathrm{v}} $呈线性增加,但是靠近底部处的最大压力与$ {p}_{\mathrm{v}} $呈非线性递增关系,外部爆炸所产生的压力峰值随$ {p}_{\mathrm{v}} $的增加而增大。     

多沟槽水润滑橡胶合金轴承润滑特性研究

建立了考虑多沟槽润滑结构和实际工况边界条件的水润滑橡胶合金轴承弹流润滑数学模型,数值计算了有无沟槽以及沟槽半径对润滑性能的影响.计算结果表明：沟槽对水润滑橡胶合金轴承润滑性能影响显著,即在沟槽处膜厚较大,压力较低,而在承载区膜厚较小,压力较高,周向方向上压力分布不连续,并且在最小膜厚处轴向方向的入口和出口附近出现了两个压力峰值;水膜压力和最小膜厚均随沟槽半径的增大而减小;承载能力随偏心率增大而增大,随沟槽半径和过渡圆弧半径的增大而减小;摩擦系数随转速增大而略有增大,随沟槽半径的增大显著增加.     

剪切增稠液阻尼器隔冲性能的实验研究

剪切增稠液在外载作用下粘度会迅速增大,基于剪切增稠液研制而成的阻尼器具有阻尼力大、响应快速、无能耗等优点,在阻尼耗能和冲击防护设备中具有重要的应用前景。本文使用振动台模拟半正弦脉冲信号,对集成剪切增稠液阻尼器的单自由度系统在不同冲击条件下的响应加速度和相对位移进行了研究,比较了冲击脉冲幅值和频率比对冲击隔离的影响,讨论了不同冲击条件下的系统阻尼比,得到了剪切增稠液阻尼器安装方式对其冲击隔离性能的影响。结果显示:冲击脉冲幅值对响应加速度幅值比影响不大;加速度幅值比随冲击脉冲频率比增大而迅速减小,相对位移幅值随频率比增大先减小再略微增大,然后继续减小;当剪切增稠液阻尼器横向安装时,其响应加速度幅值比更小,当安装夹角增大时,相对位移随之减小,系统阻尼比迅速增大。研究表明,剪切增稠液阻尼器能够提高单自由系统的冲击隔离性能。     

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.     

基于软弹流润滑模型的液压格莱圈密封性能分析

基于软弹流理论建立了液压往复格莱圈密封的数值分析模型,该耦合模型包括流体力学、接触力学、变形和热分析.数值求解获得了密封区域的膜厚、流体压力和接触压力分布,以及单个行程的流量和活塞杆表面的摩擦力,揭示了液压往复格莱圈密封的密封机理.通过参数化进一步分析了不同密封表面均方根粗糙度、密封压力和往复速度对密封性能的影响.结果表明:在本研究中,密封区域表现为混合润滑状态,且以微凸体接触摩擦为主;较小的密封表面均方根粗糙度值具有较好的密封性能,增大密封压力会导致泄漏量和摩擦力均增加,而增大往复速度有利于减小泄漏量.