长距离输水气液两相流管道振动特性研究

摘要

长距离输水管道因气水两相流动状态不断转变而产生的强烈压力波动会诱发管道剧烈振动，引起管道连接部位的松动泄漏和整体结构稳定性的降低，甚至发生爆管现象。为了提高长距离输水管道运行的安全性，并探究气液两相流不同流型下重力输水和加压输水的管道振动特性，本文从气液两相流流型的基本理论出发，基于两相流体与管道的流固耦合作用，对长距离重力输水和加压输水两种方式在不同运行工况下的管道振动幅频特性进行了研究。
　　采用理论与试验结合的方式，建立了气液两相流管道振动数学模型，理论分析了管道结构属性与气液两相流体流动特性对输流管道系统振动固有特性的影响。选用有机玻璃管材搭建长距离输水管道试验平台，通过调节气泵进气压力控制进气量在0～3.0m3/h之间并调节阀门控制流速在0.7~1.9m/s范围内，同时模拟重力输水和加压输水两种方式的稳态运行和关阀过渡过程工况。采用三向振动加速度传感器对水平管道、45°上升管道、45°下降管道以及阀门部位进行稳态条件下的振动响应检测，获得管道轴向和径向振动加速度频谱图。使用关阀时间可控的电动球阀和气动蝶阀进行过渡态试验，研究关阀和事故水锤对管道振动幅频特性的影响。
　　理论和试验结果表明，管道系统的固有频率会随着管径或管材弹性模量的增大以及管长或管材密度的减小而提高。气液两相流含气率的加大在提升管道系统固有频率的同时也会提高水平管道的振动强度。在同一水流速下，水平管道轴向振动强度随含气率的增加而增大，于泡状-段塞流过程增长速率最快，并在段塞流流型时达到最大。由于水平管道段塞流振动频域较宽，极有可能发生管道共振，实际运行中应尽量避免该工况的出现。上升管弯头由于连接耦合作用，振动强度大。下降管段的振动强度与管内气团的发展密切相关，应尽量避免非满管流的产生。气液两相流过阀产生的局部扰动对上游近阀管段的径向振动影响剧烈，使管道径向振动向高频区域发展，轴向振动受其影响较小。快关阀试验中气体的存在会降低管道中的水锤升压，且含气率越高其降低的幅度越大，但水锤波和管道振动的持续时间变长。这些对于长距离输水管道的设计、改造及运行具有较大的参考意义。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 气液两相流基本理论研究概述

1.3 气液两相流管道系统振动研究进展

1.4 本文的主要研究内容

第2章 试验装置与方法

2.1 试验装置

2.2 试验方法

2.3 本章小结

第3章 气液两相流管道固有特性理论分析

3.1 气液两相流特性参数

3.2 气液两相流管道流固耦合振动模型

3.3 管道结构及流体参数对系统固有频率的影响

3.4 本章小结

第4章 气液两相流稳态振动试验研究

4.1 水平管道振动试验分析

4.2 45°上升管段及弯头振动试验分析

4.3 45°下降管段及弯头振动试验分析

4.4 阀门振动试验分析

4.5 本章小结

第5章 气液两相流过渡态振动试验研究

5.1 均匀慢关阀试验

5.2 快关阀试验

5.3 本章小结

第6章 输水管道模拟分析及减振措施

6.1 典型管道模态分析

6.2 埋地管道与土体的相互接触瞬态分析

6.3 长距离输水管道减振措施

6.4 本章小结

结论

参考文献

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致谢