【摘 要】
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受管内流体流动的影响,天然气输送站场的管道常发生剧烈的振动现象,管道的振动会产生强烈的噪声,同时造成管道的疲劳破坏严重威胁输气管道的安全运行。我国输气站场管道管径大,结构复杂,输送压力大,流速高,管内流动为高雷诺数复杂湍流,这些因素使得管道的流体诱发振动的实验和理论研究较为困难。因此,高压输气站场管道流体诱发振动机理不够清晰,缺少必要的防止管道振动的设计准则,我国一些运行中的输气站场管道仍不断发生
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受管内流体流动的影响,天然气输送站场的管道常发生剧烈的振动现象,管道的振动会产生强烈的噪声,同时造成管道的疲劳破坏严重威胁输气管道的安全运行。我国输气站场管道管径大,结构复杂,输送压力大,流速高,管内流动为高雷诺数复杂湍流,这些因素使得管道的流体诱发振动的实验和理论研究较为困难。因此,高压输气站场管道流体诱发振动机理不够清晰,缺少必要的防止管道振动的设计准则,我国一些运行中的输气站场管道仍不断发生振动现象。针对这一问题本文开展了以下研究工作:（1）针对流激湍动、流致振动和声致振动三种可能导致输气管道振动类型,分析了各类振动的特点,总结了输气管道振动的机理、预防方法及解决措施等研究现状,明确了输气管道振动机理研究的方向。（2）采用声学有限元方法研究了直管和管道盲通内气体的声学特性,结合声学有限元方法与固体力学有限元方法,研究了直管和管道盲通气固耦合管道系统的振动模态特征,明确了高压天然气对管道系统模态参数的影响,为输气站场管道系统振动特性分析提供依据。（3）采用数值模拟方法研究了输气站场常见管道单元内流动引起管内流体压力脉动原理和规律。采用计算流体力学方法模拟了盲通分支、开口旁支、弯头内高压天然气的流动。采用声学有限元方法研究了这些管道结构单元的声学模态,对比流动模态与声学模态,判明了结构内是否发生声共振。采用计算流体力学方法研究了管道单元及其组合内的流动规律,明确了相应输气站管道振动机理和流速、管径、输送压力和单元距离对流致压力脉动的影响,提出了管道单元及其组合结构避免流致振动的设计准则与建议,为输气站场管道设计提供指导。（4）分析了现有的抑制输气管道内声共振方法的优缺点。根据流致声共振产生机理,采用相似原理,研究了气体输送管道的盲通管道分支角度对盲通内声共振的影响,为解决声共振问题提供了一种实用新方案。通过研究,本文获得主要研究结论如下:（1）在解决管道振动问题分析管道系统振动模态时,对于低阶次振动模态,可以忽略气体与固体之间的耦合作用,对固体域和气体域分别进行求解。（2）采用DDES湍流数值模型和六面体结构化网格模拟计算高压输气管道内流致压力脉动的方法是可靠的。（3）输气站场中不同类型管件内压力脉动产生的原因不同,盲通分支和开口旁支管道内的压力脉动主要是由于管内流体声共振造成的,而弯头内的压力脉动主要是由于涡街脱落造成的。（4）在输气站场管道设计时,为避免声共振产生,单盲通分支管道单元的内径与分支长度比应大于0.3,开口旁支管道单元的分支内径与分支中心线长度比应大于0.08。（5）盲通分支或开口旁支与主管道之间的夹角为120°时对盲通分支或开口旁支的声共振有明显的抑制作用。
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