CN115906710B

CN115906710B - 一种高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法

Info

Publication number: CN115906710B
Application number: CN202211687177.4A
Authority: CN
Inventors: 赵存生; 董超芳; 张振海; 仝博; 杨冰; 丁丰
Original assignee: Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2022-12-27
Filing date: 2022-12-27
Publication date: 2024-03-01
Anticipated expiration: 2042-12-27
Also published as: CN115906710A

Abstract

本发明涉及一种高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法，包括：构建流体管道模型，对所述流体管道模型进行网格划分，获得网格模型；基于所述网格模型进行流体分析，并结合管道运行的工况条件施加边界条件，设置完成后进行求解计算，模拟流体域内的流速和压强分布情况。本发明可以实现计算模拟不同受力状态、不同尺寸缺陷的损伤参数，达到在模拟实际环境和力学状态的同时提高计算的精度与可靠性。

Description

一种高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法

技术领域

本发明涉及模拟试验技术领域，特别是涉及一种高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法。

背景技术

金属腐蚀是影响管道服役安全和使用寿命的重要因素，由于高压空气管路长期在高温高压并有腐蚀介质的条件下工作，要求高压空气管路用钢满足耐高温性、抗氧化性、耐腐蚀性以及严格的表面质量等。一旦由于腐蚀而引起泄漏或断裂将有可能引发严重安全事故。

国内外相关高校和科研机构针对石油化工等管道破坏机理和失效压力开展了相关研究工作，取得了许多研究成果。其中沈士明和孙洪彬等采用试验方法和有限元弹塑性分析法，对含腐蚀球形凹坑缺陷的压力管道进行研究，得到了含不同球形腐蚀凹坑缺陷压力管道在内压和弯矩联合作用下的极限载荷。试验研究证明，在内压和外弯矩作用下，腐蚀球形凹坑底部应变值最大；腐蚀凹坑半径相同时，管道的极限载荷随凹坑深度的增加而降低；而凹坑深度相同时，极限载荷随凹坑半径的加大而降低。基于连续介质力学的有限元方法开展腐蚀管道的数值仿真研究，需要一个标准来定义腐蚀管道何时发生破坏。确定腐蚀管道失效压力最广泛使用的是局部塑性失效模式下的应变失效准则以及应力失效准则。然而，因工作压力高测试难度大，目前缺乏针对含缺陷高压空气管道安全评估的数字化建模与仿真工作，导致长周期服役管道的安全评估难以开展。因此，正确得得到高压空气管内流动介质应力的分布，才能准确地选择决定了腐蚀管道失效压力大小的计算准则。

发明内容

本发明的目的是采用计算流体动力学与静态结构分析相耦合的计算方法，开展模拟不同受力状态、不同尺寸缺陷处的应力应变损伤计算研究。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法，包括：

构建流体管道模型，对所述流体管道模型进行网格划分，获得网格模型；

基于所述网格模型进行流体分析，并结合管道运行的工况条件施加边界条件，设置完成后进行求解计算，模拟流体域内的流速和压强分布情况。

优选地，对所述流体管道模型进行网格划分，包括：

分别对所述流体管道模型中的流体域与固体结构进行网格划分，并设置边界层网格的层数和厚度，进行网格划分，分别获得流体域网格模型和固体结构网格模型；

其中，划分的网格类型包括六面体单元或棱柱。

优选地，获得所述流体域网格模型，包括：

将所述流体管道模型通过流体分析模块进行网格划分，并基于全局设置区域设置网格尺寸，靠近管壁处的网格通过添加边界层网格的方式进行加密，获得所述流体域网格模型。

优选地，获得所述流体域网格模型后，还包括对所述流体域网格模型设置特殊面，所述特殊面包括流体域的入口、流体域的出口以及流体和固体的界面。

优选地，基于所述流体域网格模型进行流体分析，包括：

将所述流体域网格模型自动导入Fluent界面，选择单位制，设置边界条件，对所述流体域网格模型进行初始化和计算，获得流体域内的流速和压强分布情况；

其中，所述边界条件包括选择所述特殊面的速度入口和压力出口边界条件并输入参数，以及根据实际工况下的相应值设置流速和压强大小；所述单位制与构建所述流体管道模型时的单位保持一致。

优选地，进行所述流体分析还包括：

将所述网格模型中的高压空气流体与固体管道进行分隔，对流体域进行材料和服役条件参数的设置，设置完成后对所述流体域内的流速和压强进行求解。

优选地，对所述固体结构网格模型进行分析包括：

选择固体结构的材料类型，对所述固体结构进行网格划分，导入流体计算的压强结果，并选择施加位置，设置大气压及固定边界条件，进行求解，获得管道内部的应力分布情况。

优选地，所述方法还包括：

基于不同的管道形状，设置不同压缩倍率的空气密度值以及不同的流速，分别计算不同管道形状下管内截面处的应力大小，获取由应力集中和高温、侵蚀性介质环境耦合作用引起应力腐蚀失效的位点，并基于函数公式绘制应力分布示意图。

优选地，所述函数公式为：

σ_max＝1.82441-0.04568*x-0.2*y+0.003*x²+0.0043*y²+0.01*x*y

其中，x为密度，y为流速，σ_max为最大应力。

本发明的有益效果为：

本发明采用计算流体动力学与静态结构分析相耦合的计算方法，开展模拟不同受力状态、不同尺寸缺陷处的应力应变损伤计算研究，根据材料损伤类型，建立包含表面球形裂纹缺陷与深埋球形裂纹缺陷的多种管道模型，开展了多缺陷交互作用、多缺陷一体化计算的研究。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中软件分析模块结构示意图；

图2为本发明实施例中使用的管道模型示意图；

图3为本发明实施例中高压气体流体域压强和管道危险截面处的示意图；

图4为本发明实施例中根据大量计算结果拟合出的危险截面处应力曲面图；

图5为本发明实施例中引入缺陷后的部分模型示意图；

图6为本发明实施例中整体方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法，如图6，包括：

1.在Geometry模块建模或导入已建好的模型。随后进入流体分析模块Fluent(如图1)，首先进行网格划分，点击“Mesh”在全局设置区域设置合理的网格尺寸，只对流体域进行网格划分，或者对固体与流体域同时进行网格划分。

右击“Mesh”添加“Face Meshing”，映射“Mapped Mesh”打开，以生成面网格。随后添加“Method”，设置为“MultiZone”(对于简单模型以及未使用Mapped面网格方法的情况，可采用“Sweep”扫描的方法)，网格类型选择六面体单元“Hexa”或棱柱“Prism”(建议使用Hexa，六面体网格的空间分布控制、求解速度和精确度略优于其他类型如四面体网格)。如图2为管道模型示意图。

由于管道内层流的影响，靠近管壁处的网格应通过添加边界层网格的方式进行加密以获得边界处更准确的结果，右键添加“Inflation”设置边界层网格的层数和厚度，随后进行网格划分。

选用主单元为六面体或棱柱单元时均可生成边界层网格。网格划分完成后选中右击以设置几个特殊的面(Named Section)，即流体域的入口inlet、出口outlet以及流体和固体的界面wall。随后直接关闭窗口或导出所划分的网格文件(.msh)以在其它分析中使用。

2.单击Fluent-Setup，在选项界面可配置Fluent求解器，如设置工作路径、计算线程数(最大线程数由电脑CPU决定)等。进入Fluent界面后之前划分的网格模型会自动导入，开始进行流体分析。点击General-scale已选择单位制为m或mm(与建模时的选择保持一致，通常选择mm)，General页面还可进行其它求解器相关设置。选择Models-Viscous(Standardk-e,Standard)模型，在Materials中对流体域的材料进行设置。

体域可能需要在“cell zone conditions”部分进行区域指定(特别是对于复杂流体系统)。设置好后在boundary conditions下设置边界条件，设置完成后进行求解，可以获得流体域内的流速、压强等的分布情况。

设置边界条件(Boundary Conditions)，右击所设置的特殊面名称，分别选择速度入口(velocity-inlet)和压力出口(pressure-outlet)边界条件并输入参数，流速和压强的数值大小依据实际工况下的相应值进行设置。随后依次点击“Initiation”和“Calculation”对模型进行初始化和计算，获得流体域内的流速和压强分布情况。

4.对三种不同形状的管道内的流体设置不同压缩倍率的空气密度值以及不同的流速，按照步骤3的操作内容，分别计算获得不同条件下管内截面处的应力大小以分析可能出现由应力集中和高温、侵蚀性介质环境耦合作用引起应力腐蚀失效的位点。图3位高压气体流体域压强和管道危险截面处的示意图。图4为拟合出的危险截面处应力曲面图。图5为引入缺陷后的部分模型示意图。

5.将计算结果中最大应力与密度和流速的数据导入Origin数据处理软件，并使用双变量多项式函数拟合出应力与密度、流速之间的关系公式(其中x为密度，y为流速)，函数公式为：

σ_max＝1.82441-0.04568*x-0.2*y+0.003*x²+0.0043*y²+0.01*x*y

此公式用于工程上管路失效分析中得到高压空气管路流动介质应力分布。

将高压空气流体与固体管道分隔开，分别进行材料和服役条件参数设置，其中：流体的密度、流速、压强等作为可变的输入参数，流体域边界产生的压强作为中间参数传递给管道内壁，并结合管道运行的工况条件施加边界条件，根据求解获得的应力应变分布结果，评估损伤的形成位置及分布情况。

本发明通过设计一系列流体密度、流速的输入值，并对于三种形状的管道分别计算出相应条件下，损伤发生的危险位点处的最大应力，将最大应力值拟合为密度与流速的关系公式，此公式作为评价目标高压管路内损伤发生发展情况的标准。

结合实际服役过程管道的损伤特征，在模型中不同部位引入点蚀坑缺陷，改变缺陷的种类、形状和数量，系统研究管道内腐蚀性介质产生的缺陷存在的情况下造成的刚度退化、损伤发展及可能引发的安全隐患。

本发明使用理论计算的方法对难以开展实验的高压管道内的应力应变行为和损伤情况进行了模拟，起到了理论指导实践作用。此外，一次建模及设置即可完成前后处理中绝大部分的工作，之后只需进行简单的参数修改即可开展新的计算并获得所需的结果，简化了使用难度。

该方法包括对三种含点蚀等损伤缺陷的管道内的流体，设置不同压缩倍率的空气的密度值以及不同的流速，计算获得管内截面处的应力大小，可以分析在拉应力和高温、侵蚀性环境耦合作用引起管道应力腐蚀失效的可能位点。将计算结果总结，最大应力与密度和流速的关系拟合出公式，此公式可作为目标高压管路失效准则的有效判据。该方法可推广得到高压空气管内因介质流动而产生的应力分布情况。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法，其特征在于，包括：

基于所述网格模型进行流体分析，并结合管道运行的工况条件施加边界条件，设置完成后进行求解计算，模拟流体域内的流速和压强分布情况；其中，基于流体域网格模型进行流体分析，包括：

所述边界条件包括选择特殊面的速度入口和压力出口边界条件并输入参数，以及根据实际工况下的相应值设置流速和压强大小；单位制与构建流体管道模型时的单位保持一致；

2.根据权利要求1所述的高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法，其特征在于，对所述流体管道模型进行网格划分，包括：

其中，划分的网格类型包括六面体单元或棱柱。

3.根据权利要求2所述的高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法，其特征在于，获得所述流体域网格模型，包括：

4.根据权利要求3所述的高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法，其特征在于，获得所述流体域网格模型后，还包括对所述流体域网格模型设置特殊面，所述特殊面包括流体域的入口、流体域的出口以及流体和固体的界面。

5.根据权利要求1所述的高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法，其特征在于，进行所述流体分析还包括：

6.根据权利要求2所述的高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法，其特征在于，对所述固体结构网格模型进行分析包括：

7.根据权利要求1所述的高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法，其特征在于，所述函数公式为：

σ_max＝1.82441-0.04568*x-0.2*+0.003*x²+0.0043*y²+0.01*x*y

其中，x为密度，y为流速，σ_max为最大应力。