裂纹对管道及其内部流场影响的分析

摘要

各种输液输气管道在使用中会被腐蚀、磨损、损伤并开裂失效，由此造成相当严重的环境污染和资源浪费。研究管道裂纹缺陷具有重要的经济价值。虽然各种对管道的研究已经开始被重视，由于压力管道所受载荷复杂及裂纹结构的不规则性，对管道裂纹的研究仍然很艰巨。
　　 本文根据上述问题，对引起压力管道断裂的常见裂纹以及管道内流场进行数值计算。并在此基础上研究管道裂纹的强度因子和管道内流场的压力和速度。主要内容如下:
　　 1、在断裂力学理论基础上利用ANSYS大型有限元模拟含裂纹三维管道，并采用奇异元的位移法来计算应力强度因子，比较了不同厚度时压力管道的应力强度因子和不同尺寸下裂纹多种情况裂尖的应力强度因子。
　　 2、在流体力学理论基础上利用ANSYS大型有限元软件中流体模块FLOTRANCFD，建立三维情况下较长距离含裂纹压力管道内部流场模型，计算流场的压力场，与无裂纹情况进行比较，得出一定结果。
　　 3、建立较短距离三维情况下含裂纹压力管道内部流场模型，并分别计算了不同长度的纵向裂纹和轴向裂纹情况下流场的速度场和压力场。改变裂纹在管道中位置，比较纵向裂纹和轴向裂纹在不同位置、不同长度时对管道内流场的速度和管道出口处压力的影响，分析其压力变化以及管道出口处的速度分布情况。
　　 4、建立较短距离二维情况下含裂纹压力管道内部流场模型，改变裂纹在管道中位置以及裂纹大小，比较裂纹在不同位置时对管道内流体的速度和管道出口处压力的影响，分析其压力变化以及管道出口处的速度的变化情况。

目录

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摘要

1.绪论

1.1 本文的研究背景

1.2 管道裂纹应力强度因子的研究现状

1.2.1 裂纹应力强度因子发展

1.2.2 现有的应力强度因子的计算方法

1.3 压力管道内流场研究现状

1.4 本文的主要工作

2.断裂力学理论基础

2.1 应力强度因子理论

2.2 压力管道裂纹处应力强度因子

2.3 本章小结

3.三维带裂纹压力管道应力强度因子计算

3.1 有限元模型建立

3.2 模型建立

3.3 应力分布

3.4 应力强度因子修正系数

3.5 本章小结

4 流场模型

4.1 湍流流动

4.2 圆管中湍流流动的有关概念

4.3 湍流中的速度分布

4.4 管流的基本方程

4.5 k-ε湍流模型方程

4.6 本章小结

5.三维管道流场模拟

5.1 模型建立

5.2 网格划分

5.1.3 边界条件

5.2 流场压力变化分析

5.2.1 无裂纹情况下流场压力变化

5.2.2 含裂纹情况下流场压力变化

5.3 结果分析

5.4 本章小结

6.多种情况下三维流场模拟

6.1 三维模型建立

6.2 网格划分

6.3 三维管道内流场压力变化分析

6.3.1 无裂纹情况下三维管道压力变化

6.3.2 横向裂纹情况下管流压力变化分析

6.3.3 纵向裂纹情况下管流压力变化分析

6.4 三维管道内速度场分析

6.5 本章小结

7.二维流场模拟

7.1 模型建立

7.1.2 网格划分

7.1.3 边界条件

7.2 二维流场压力变化分析

7.2.1 无裂纹情况下流场压力变化

7.2.2 裂纹长为0.1m时流场压力变化

7.2.3 裂纹长为0.2m时流场压力变化

7.2.4 裂纹长为0.3m时流场压力变化

7.2.5 结果分析

7.3 二维流场速度分析

7.4 本章小结

8.结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

致谢

参考文献