基于熱-流-固耦合的輸送管道的結構分析

張鵬程 張 強 楊鈞杰

①長江大學機械工程學院 ②中海石油（中國）有限公司深圳分公司

通過對輸送管道的工況分析，利用計算流體動力學對輸送管道進行三維流場分析，并對管道內部的溫度情況進行數(shù)值模擬，將得出工作過程中管道的壓力場和溫度場耦合到結構場利用有限元方法進行結構分析，研究在不同進口流速下，不同的外部環(huán)境溫度和流體溫度對輸送管道結構的影響，得出應力最大的位置主要集中在夾緊部位的周圍，在與管壁交匯處達到最大。研究表明，在不同的溫度工況下，隨著進口流速的增大，輸送管道所承受的應力和變形的程度也越大，但增長的趨勢變化十分微小，流速的增大對于管壁的影響很小。隨著流體溫度的逐漸增加，輸送管道的應力和變形量逐漸降低直至最終趨于穩(wěn)定，但當外部溫度過高，管道的應力和變形值的變化是先逐漸減小后逐漸增加。

近年來，管道的強度破壞而引起的失效屢見不鮮[1-4]。作為運輸各類流體的生命通道，在運輸?shù)倪^程中，管道的強度問題應該引起足夠的重視，否則會造成嚴重的工業(yè)事故，危害國家和人民的生命安全。

針對管道的強度問題，國內外學者對此進行了較多且系統(tǒng)的研究。孫靖云[5]等對地震載荷工況下隧道內油氣管道進行應力分析分析，研究了管道的最危險截面，計算出了危險彎管的應力比率，校核了應力允許值；趙通來[6]等通過模態(tài)試驗結合數(shù)值仿真研究彎頭位置及彎管曲率半徑對管道模態(tài)特性的影響規(guī)律；黃坤[7]等對沿坡敷設管道進行應力分析，研究安裝、試壓和運行工況下管道的受力情況，得出沿坡敷設方式的安全性較高的結論；付永領[8]等對某一典型的高壓管段進行了數(shù)值液固耦合分析，探討了在航空泵非定常流速下彎管轉角對該管道振動特性的影響；Xiao Nan Wu[9]等利用總體應力分析軟件進行了懸浮管道的數(shù)值模擬，探討了懸浮長度和浮力對懸浮管道應力的敏感性；V.G.Tsyss[10]等研究了管道系統(tǒng)柔性接頭在超壓作用下的應力應變狀態(tài)，對管道殼體和接觸部位金屬法蘭的接觸力和接觸力分布進行了估計。

但是以上所做的研究主要集中在流體對于管道的沖擊及模態(tài)振動，僅僅考慮了在工作過程中，輸送介質對于管道的沖擊作用，而忽略了在不同的工作環(huán)境下，工作環(huán)境溫度的改變以及內部運輸介質的溫度的改變對于整個工作過程的影響程度。

本文針對管道的工作情況，結合相應的工作環(huán)境溫度以及輸送介質的溫度變化，對于在不同進口流速下，通過對管道內部流場的模擬，得出內部流場的壓力分布，分析外部環(huán)境溫度和內部介質的溫度在管道的分布情況，通過熱-流-固耦合最終得出流場壓力和熱載荷作用下的管道結構場，研究得出管道破壞應力及變形規(guī)律。

1 輸送管道數(shù)值模擬

1.1 輸送管道流場分析

（1）輸送管道的幾何模型建立。

建立輸送管道的三維模型，其模型及流域如圖1所示。重力加速度沿著z軸向下。管道分為三段式，包括三個直管段和兩個彎管段，管道厚度為5mm，其內徑為45mm，彎管段處的曲率半徑為90mm，直管段的長度為225mm。由于一般在管道輸送過程中，為了保證管道的安全性，常在中間處設置夾緊裝置更好保護流體輸送的平穩(wěn)性。

圖1 管道流域

（2）管道輸送控制方程。

（3）邊界條件設定。

通過對整個工作環(huán)境的分析，采用流體動力學軟件FLUENT對輸送管道進行流場分析。設置管道輸送的介質的密度為1800kg/m3，動力粘度為0.001Pa·s，設置進口的速度大小為15m/s，出口設置為自由出流，壁面函數(shù)采用標準壁面函數(shù)，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，能量、動量、湍動能和湍流耗散率均采用二階迎風格式。

（4）輸送管道流場分析。

通過對整個輸送過程的仿真模擬，得出了在輸送過程中整個管道的壓力場分布，結果如圖2所示。

圖2 管道壓力場分布

從圖2可以得知：在整個管道輸送過程中，在水平管流經水平彎管段處，在彎管流域靠外處的正壓力最大，在其靠內處的負壓力最大，即在其曲率半徑大的位置承受最大的壓力，而在曲率半徑小的位置承受最大的拉力，所以在彎管處的外法線方向上受到持續(xù)的作用力，同樣在豎直彎管端存在同樣的作用效果，但是相對應位置的壓力大小相對較小。在流經水平彎管處，流體介質與壁面發(fā)生激烈碰撞，同時產生局部阻力損失和沿程阻力損失，當?shù)竭_豎直彎管段時，相對地流體能量減小，且往高處輸送的過程中需要克服其自身重力做功，同樣在彎管處也會產生摩擦阻力能量損失。

1.2 輸送管道溫度場分析

由于一年四季的氣溫變化，以及在不同緯度的地方氣候差異性也很大，因此針對在不同時節(jié)、不同區(qū)域，輸送管道所處的溫度環(huán)境是不一樣的，而流體介質本身也可能由于在不同環(huán)境，自身溫度也不一樣。所以設置在特定的環(huán)境下，設置材料的熱傳熱系數(shù)為60w/（m·k），設置管道的外部環(huán)境溫度（以To表 示）為25℃，內部流體溫度（以Ti表 示）為60℃，有限元模型及溫度場分布云圖如圖3、圖4所示。

圖3 輸送管道的有限元模型

圖4 輸送管道的徑向溫度場分布

從圖4可知從輸送管道徑向截面上來看，整個溫度場在徑向方向上從內到外，隨著內徑的逐漸增大，溫度逐漸降低，且各溫度層之間的分布較為均勻。

1.3 輸送管道的應力及變形分析

通過對輸送管道的流場分析以及溫度場的模擬，得出了相應的壓力場和溫度載荷分布，通過耦合的方式集中在結構場里進行有限元分析，對其劃分網(wǎng)格后，對輸送管道的進出口端面以及夾緊部位進行固定約束，然后將流體壓力以及溫度載荷加載進來，對整個輸送管道進行應力及變形分析，結果如圖5、圖6所示。

圖5 輸送管道的應力分布

圖6 輸送管道的變形情況

從對輸送管道的分析來看，應力最大的位置主要集中在夾緊部位的周圍，在與管壁交匯處達到最大，大小為182.71MPa。然后逐次向外層遞減，在整個管壁內外側，應力分布較為平均，大小集中在60～100MPa。變形最大的位置集中在彎管段，在向上輸送的彎管段處的變形達到最大，最大變形量為0.053mm。由于流體對管壁的作用力，在彎管處達到最大，所以使得在彎管段處朝其外法線方向變形最大，同時在豎直管段的自身重力作用，彎管處的變形程度會加劇，所以在豎直彎管段的變形會最大。

2 溫度對輸送管道的應力影響分析

由于溫度的變化對輸送管道的影響較大，所以研究在不同進口流速下，不同環(huán)境溫度和介質溫度對輸送管道的應力變形程度就很有必要。由于不同地域的溫度存在很多差異，所以設置外界環(huán)境溫度To變 化范圍為-50℃～40℃，設置流體介質溫度Ti為 -30℃～60℃，進口流速為5m/s～25m/s。考慮到溫度的變化會引起流體介質粘度的變化，但由于粘度的變化對管道壁面作用力變化較小，所以在計算時忽略流體介質粘度對管壁的作用效果[11]。

2.1 進口流速對管道結構的影響

在不同溫度下進口流速的變化對結構場的影響。設置進口流速為5m/s，10m/s，15m/s，20m/s，25m/s，在溫度的選擇上選擇比較極端的溫度環(huán)境。選擇外部環(huán)境溫度為40℃和-50℃，內部流體介質的溫度選擇上設為60℃和-30℃。分析結果如圖7、圖8所示。

圖7 進口流速對輸送管道的應力影響

圖8 進口流速對輸送管道的變形影響

從圖可得，在不同的溫度工況下，隨著進口流速的增大，輸送管道所承受的應力也逐漸增大，變形的程度也越大。但增長的趨勢變化十分微小，說明流速的增大對于管壁的影響很小。在不同的工況下，在To=40℃，Ti=-30℃的工況下管壁所受的應力和變形最小，在To=-50℃，Ti=-30℃的工況下管壁所受的應力和變形最小。說明在內部流體的溫度一定時，外部環(huán)境溫度越低，對于輸送管道的應力和變形的影響越大。當外部環(huán)境溫度較低時，材料的延展性會降低，沖擊韌性急劇降低，當溫度低于臨界溫度時會發(fā)生低溫脆性轉變，材料性能會變脆，材料容易發(fā)生變形。

2.2 溫度對管道結構的影響

溫度也是影響管道結構的因素之一。設置外部環(huán)境溫度T0為-50℃，-25℃，-20℃，5℃，25℃，流體溫度Ti為-30℃，-15℃，0℃，15℃，30℃，45℃，60℃。進口流速為15m/s，分析溫度對管道結構的影響。

從圖9、圖10可得，在進口速度一定的情況下，隨著流體溫度的逐漸增加，輸送管道的應力逐漸降低直至最終趨于穩(wěn)定，同樣隨著流體溫度的升高，輸送管道的變形量的大致變化趨勢是逐漸減小。隨著外部環(huán)境溫度的逐漸增加，輸送管道的應力值和變形量變化的大致趨勢都逐漸減小。由于溫度的降低導致材料向脆硬方向轉變，繼而其強度和變形會降低。

圖9 溫度對輸送管道的應力影響

圖10 溫度對輸送管道的變形影響

當To=5℃、25℃時，其應力和變形曲線的變化情況和其他外部溫度環(huán)境下不一樣。當外部環(huán)境溫度和流體溫度都很低時，管道的所受的應力和變形量都很大，同時當外部環(huán)境溫度升高，在不同流體溫度下最終的應力和應變的變化趨勢是不一樣的。當外部溫度過高，管道的應力和變形值的變化是先逐漸減小后逐漸增加。流體介質溫度的升高使管道內壁的組織變化，導致輸送管道的強度降低，變形量增大。

3 結論

（1）在整個管道輸送過程中，在彎管流域的壓力最大，內部各溫度層之間的分布較為均勻，通過耦合后得出應力最大的位置主要集中在加緊部位的周圍，在與管壁交匯處達到最大。

（2）隨著進口流速的增大，輸送管道所承受的應力和變形的程度也越大，但增長的趨勢變化十分微小，說明流速的增大對于管壁的影響很小。

（3）隨著流體溫度的逐漸增加，輸送管道的應力和變形量逐漸降低直至最終趨于穩(wěn)定，但當外部溫度過高，管道的應力和變形值的變化是先逐漸減小后逐漸增加。

（4）建議在管道設計上應充分考慮管道內外的溫度變化來防止極端工況下的結構破壞。