压缩机管路系统气流动力学仿真及应力分析

摘要

往复压缩机作为输送、压缩过程气体的重要设备在石油、化工、冶金、能源等领域有着非常广泛的应用。然而由于其自身结构、制造误差、安装不当等诸多原因，造成的其在运行过程中附属管网系统振动及泄漏时有发生。因此，研究往复压缩机管网的振动原因及减振方法具有着重要的意义。本文对往复压缩机气流脉动、结构共振这两个引起往管网振动的主要因素进行研究，结合有限元分析方法对管网中部分管件的气流脉动特性进行了详细分析，并结合相关理论研究成果对某化工厂装置进行了振动抑制研究，取得良好的效果。
　　本文主要研究内容分为两个部分:
　　第一篇:往复压缩机管路系统气流动力学仿真研究，该篇内容以一维非定长流波动方程及流体动力学CFD仿真为基础，从理论及有限元分析两个角度出发，结合实验验证，探讨了复杂管网中直管、弯头、阀门等主要管件对气流脉动特性的影响。本篇第四章，分析了压力脉动在直管中的传播特性，研究出有阻尼、无阻尼情况下直管中气流脉动传播方程。本篇第五章，分析了弯头转角半径、弯头距离压缩机距离、弯头结构形式气流脉动压力峰值的影响规律，并提出考虑弯头处气体涡流影响的气流脉动传递矩阵。同时，该章还提出了使用适当尺寸的球形弯头进行压力脉动消减的方案，对该方案进行数值模拟实验，该方案切实可行。本篇第六章，根据阀门结构形式对气流脉动的影响将阀门分为两大类，一类以蝶阀为代表，另一类以截止阀为代表，分别分析了两类阀门不同开度对气流脉动特性的影响，并归纳出两类阀门开度对压力脉动的影响曲线。
　　第二篇:往复压缩机及其附属管网系统动力学分析及工程案例研究，该篇将波动理论与复杂管网的动力学分析相结合，对某化工厂PSA装置产品气压缩机、真空泵及其设备出入端管网进行整体分析:校核各管段的一次、二次应力;进行了各管段模态分析，并结合各管段内流场波动理论分析数据，调整管道结构刚度，使机械共振频率避开管道内的流体激振频率，提出了基于管网系统动力学特性的减振方案，整改后装置中振动明显高降低，证明改造方案切实可行。
　　本文第一篇着重进行管道系统内气流脉动特性的机理研究，研究成果对管道系统设计、开发新的减振方法具有指导意义。第二篇以第一篇研究成果为基础，结合管道动力学分析方法，对某化工装置进行了改造并获得成功，以工程实际验证第一篇内容的有效性。

目录

声明

摘要

符号说明

第一篇 压缩机管路系统气流动力学仿真研究

第一章 绪论

1．1 课题来源及研究意义

1．2 管道系统气流脉动研究现状

第二章 复杂管网气流脉动特性

2．1 压缩机气流脉动概述

2．2 直管对往复压缩机气流脉动特性的影响

2．3 弯头对往复压缩机气流脉动特性的影响

2．4 三通对往复压缩机气流脉动特性的影响

2．5 容器对往复压缩机气流脉动特性的影响

2．6 阀门对往复压缩机气流脉动特性的影响

2．7 本章小结

第三章 气流脉动数值模拟理论基础

3．1 数值计算模型的选择

3．2 湍流模型的选择

3．3 稳态及非稳态计算

3．4 边界条件及求解器定义

3．5 本章小结

第四章 长直管对气流脉动的影响

4．1 气流脉动基本假设

4．2 计算域及边界条件

4．3 计算结果分析

4．4 本章小结

第五章 弯头对气流脉动的影响

5．1 气流脉动基本假设

5．2 计算域及边界条件

5．3 计算结果分析

5．4 本章小结

第六章 阀门对气流脉动的影响

6．1 气流脉动基本假设

6．2 计算域及边界条件

6．3 计算结果分析

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 未来展望

第二篇 往复压缩机及其附属管网系统动力学分析及工程案例

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外现状

1．3 管道应力分析

第二章 往复压缩机及其附属管网系统动力学工程案例分析

2．1 某化工厂往复压缩机及其附属管网系统振动实例

2．2 某化工厂往复压缩机及其附属管网系统应力分析

2．3 某化工厂往复压缩机及其附属管网系统动力学特性分析

2．4 本章小结

第三章 往复压缩机及其附属管网系统动力学工程案例振动抑制

3．1 管网系统常用减振方法

3．2 某化工厂往复压缩机及其附属管网系统减振方案

3．3 改造后应力分析

3．4 改造后管系动动力学特性分析

3．5 本章小结

第四章 总结与展望

4．1 全文总结

4．2 未来展望

参考文献

致谢

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