流作用下平面网衣水动力特性及变形研究
这是一篇关于平面网衣,流场特性,流固耦合,网衣变形的论文, 主要内容为目前我国水产养殖的发展正得到较为广泛的关注,而海水养殖作为水产养殖领域占比较重的一部分,不断发挥着重要作用。与此同时,海洋近岸空间的萎缩和环境污染在日益加剧,近海生态环境面临着巨大威胁,因此,对海洋生态环境的保护也越来越重视,与之密切相关的海水养殖迫切需要转型,并逐渐向着开放式深远海转移。网衣作为养殖网箱重要的组成部分之一,承担着圈定鱼群活动区域、保证水体交换、为鱼群提供可靠生长栖息地的作用,并对网箱内溶解氧含量有较大影响。同时,在深远海较为复杂的环境中网衣又承受着水流的冲刷作用,尤其是柔性网衣产生变形之后会造成箱体内的有效体积减小,并可能存在网衣撕裂的风险,此时明确其在流场中的水动力及变形特性对网衣设计起着关键作用。本文基于数值和试验方法,开展了刚性平面网衣的流场及水动力特性分析,分析了网目群化方法在平面网衣流固耦合方面的准确性;并基于流固耦合方法对平面网衣在不同攻角和流速下的变形特性进行了探究。首先,本文简要介绍了网箱和网衣的相关背景和研究现状;其次,介绍了数值模拟的基本理论,包括网衣的几何参数、数值模拟方法的数学理论,选取了合适的湍流模型并对流场特性分析进行了网格无关性验证;之后分析了刚性平面网衣的流场及水动力特性;之后,基于循环水槽试验,比较了攻角和雷诺数变化时,不同类型网衣的阻力和阻力系数的差异;最后,基于流固耦合方法对试验值进行验证,在此基础上,进一步研究了网目群化方法下整体网衣的流场及变形特性,将网目群化方法与耦合计算结合,以解决流体计算时网格数量较多的问题,并分析得到平面网衣的应力分布、变形等特点,为工程上养殖网箱网衣的设计起到参考的作用。
煤系叠置裂隙储层产能多尺度卷积神经网络模拟研究
这是一篇关于升尺度方法,卷积神经网络,裂隙煤层,流固耦合,多层合采的论文, 主要内容为贵州六盘水地区具有丰富的煤层气资源,其含气煤层具有多层叠置分布、单层厚度薄以及层间距小等特点。采用单井开采这类叠置储层的多煤层联产技术可以显著节约成本、提高开采效率。然而,在叠置储层中,地层性质(储层压力、裂缝形态等)通常具有明显的垂向分布差异,致使开采过程中相邻储层的气体发生垂向干扰,进而极大影响早期合采产量。目前关于储层间的特性差异,尤其是裂缝形态差异对层间干扰以及气体流动的影响还没有一个清晰的认识,有必要研究非均质裂缝网络环境下储层特性差异对层间干扰的影响。针对离散裂缝网络(DFN)模型的计算成本高、耗时长等缺点,目前广泛采用数值模拟手段计算裂缝网络的粗网格渗透率,从而将离散裂缝隐式表达于模型中,减少模型的计算成本,这种方法也被称为升尺度方法。然而,求解大尺度DFN模型的数值模拟计算所有网格的等效渗透率,耗时同样过长,并需要强大计算能力,一般计算设备难以满足。为了在多煤层开采中考虑大尺度裂缝网络对气体流动的影响,并研究储层特性差异与层间干扰之间的关系,本文首先提出了基于多尺度卷积神经网络(Ms Net)的裂缝网络渗透率预测模型。该模型在保证预测精度的同时极大降低数值模拟所需的计算时间,加快裂缝网络升尺度方法的计算速度,提高计算效率。其次,引入双孔介质模型推导了煤层气开采的流固耦合控制方程,并搭建了双煤层合采数值模型。随后,使用基于Ms Net的升尺度方法(Ms Net升尺度算法),在双层煤层气合采数值模型中隐式表达了离散裂缝网络渗透率的特征。最后定义了储层的产量影响系数以量化层间干扰程度,分析了储层压力差异、储层渗透率差、储层裂缝倾角差和裂缝密度差对合采产能和气体流动的影响。通过这些研究,获得主要研究结论如下:(1)提出了一种轻量的卷积结构Ms Net以预测裂缝网络等效渗透率。该卷积结构结合了多尺度卷积、分组卷积和残差连接等特点。对比研究发现Ms Net-8-4在收敛速度和预测精度方面比目前主流的卷积神经网络表现更佳。成功应用Ms Net-8-4升尺度算法加速裂隙煤层的气体流动模拟,使得简化后的等效DFN模型以更快和更高求解效率模拟裂缝网络对气体流动的影响。(2)首次结合Ms Net升尺度算法和双孔介质流固耦合理论,搭建含隐式裂缝表达的双煤层合采数值模型。该模型能清楚描述裂缝网络影响下气体流动特点,并已成功用于分析储层特征差异对合采产量和气体流动的影响。(3)发现在储层压力差作用下,高压储层的气体会在隔层和井筒处影响低压储层的气体流动,并以井筒倒灌、层间窜流的方式影响低压储层的产量。储层间的压力差会严重影响合采产量,储层压力差越大,合采产量受到的影响越大。(4)在定压生产模式的单相流模型中,储层的基质渗透率差异、裂缝倾角差异和裂缝密度差异对合采生产有促进作用。这种促进作用主要由层间窜流引起,并随开采时间的增大而减弱。与基质渗透率差异相比,裂缝密度差异和裂缝倾角差异对合采产能的影响更为强烈,并会在开采前期发生明显的井筒干扰。
基于流固耦合的核级安全阀启闭动态特性研究
这是一篇关于安全阀,流固耦合,密封特性,固有频率,模态试验的论文, 主要内容为核电作为清洁、安全的新能源,是目前最有可能替代化石燃料的能源。核阀泄漏造成严重事故,这些事故严重危害人类生命健康,给地球带来巨大的灾难。针对核级阀门很难通过实验测得阀体内部的压力场、速度场、温度场的数值分布的难题,分析安全阀动态特性对实现阀门的长期稳定、有效工作有着重要的意义。本文针对上述问题及现状,以核级安全阀为研究对象,采用理论分析、数值模拟、实验验证相结合的方法,系统完整的分析安全阀启闭动态特性,包括安全阀流固耦合研究、安全阀启闭密封特性研究、安全阀抗震特性分析与试验验证。首先研究安全阀流固耦合作用下的启闭动态特性。探讨安全阀流体对固体产生的的影响,建立流固耦合模型与阀瓣流固耦合控制方程,对阀体内流体进行仿真分析,得到流体不同开度下的温度云图、速度云图、压力云图,通过有限元分析耦合模块得到阀体不同开度下的变形云图、应变云图,为研究安全阀在流固耦合作用下的动态特性提供了理论依据。其次分析了安全阀启闭过程中的密封特性。先对运行工况下的安全阀进行密封特性理论分析,然后研究与实验验证三种型号弹簧预紧力产生的横向偏移力是否影响安全阀的密封特性,最后建立阀瓣、阀座、阀杆模型,并对其进行接触变形分析,得到不同压力下的变形云图、应变云图,并得到了接触面变形规律,为下文安全阀弹簧预紧力分析提供了理论依据。最后基于以上分析研究,搭建了基于模态理论的安全阀抗震试验台。验证安全阀是否达到抗震要求,采用质量简化的方法建立安全阀模型,把弹簧、上弹簧座、下弹簧座的质量添加到调整螺丝上,对安全阀进行仿真分析,再结合试验验证仿真分析的正确性;并对弹簧、上弹簧座、下弹簧座的固有频率进行理论计算,再结合仿真分析验证理论计算的正确性。
基于动网格技术的不同风速下运动帆翼的空气动力性能研究
这是一篇关于帆翼,动网格,流固耦合,数值模拟,空气动力性能的论文, 主要内容为RS:X级别帆板是亚运会和奥运会的正式比赛项目之一,国内外学者在对帆板帆翼空气动力性能研究方面做了一定的研究,但考虑帆翼受空气动力性能影响而发生形变的研究较少。风速的改变会使帆翼产生变形,结构的变形又引起流场的变化,因此需要对不同风速下帆翼进行流固耦合数值模拟研究。本研究基于ANSYS Workbench平台采用弹簧光顺和局部网格重构法两种混合动网格方法,对40o攻角下来流速度分别为2m/s、4m/s、6m/s、8m/s、10m/s、12m/s时帆翼空气动力性能进行了单双向流固耦合研究,分析了帆翼迎风面和背风面压力分布、帆翼整体空气动力及变化规律,并将单双向帆翼流固耦合计算结果进行对比分析。研究表明,随着风速的增加,帆翼面整体压力变化趋势稳定,在风速为2m/s时升阻力系数和升阻比最大。由于风速的增加使帆翼应力区增大,且全帆的应变也逐步增加,这样也会影响整个帆翼流场,因此非常有必要考虑帆翼与流场的相互耦合作用。通过耦合计算,发现帆翼变形集中位于帆翼后缘中部,而应变分布较大区域在桅杆中上部附近区域和尾缘中部。随着风速的增加,帆翼面的应变区逐步变大,变形大小及范围也逐步增大。通过对比单双向流固耦合在不同风速下的升阻力系数,发现两种耦合求解方法得到的升阻力系数随着风速的改变而变化的趋势一样,且在风速为2m/s时升阻力系数都是最大。通过对比两种耦合求解方法得到的应变云图,发现应变最大值和分布区域范围相差较大,且应变随着风速的增加变化趋势也不同,双向流固耦合分析实时进行流场和结构互相数据传递,考虑帆翼流场结构互相之间的耦合,因此获得的应变和帆翼变形更加接近实际情况。在考虑流固耦合情况下,本研究基于动网格技术对不同风速下运动帆翼的空气动力性能进行了研究,研究结果为运动员在训练和实际比赛中调节RS:X级别帆板帆翼提供参考,为进一步提高我国帆板运动科学化训练水平做出贡献。
往复式压缩机管线振动及流固耦合特性研究
这是一篇关于管线系统,振动特性分析,减振技术,流固耦合,半主动式阻尼器的论文, 主要内容为往复压缩机作为制造业领域中的典型设备,在化工、冶金、航空航天等众多领域中扮演着核心角色。随着国家和社会对制造业绿色发展的重视,往复压缩机管线振动问题更需要得到有效控制,同时应考虑流固耦合作用对管线系统振动特性的影响,避免因管线振动带来的生产效率低和安全事故。本课题从理论分析、实验研究、仿真模拟研究和新型减振装置设计等角度进行了研究。研究内容分述如下:(1)研究往复压缩机管线系统的振动影响,阐述压缩机及管线系统实际使用中振动现象造成的经济危害及安全危险,因此有必要对管系振动进行研究,同时应考虑流固耦合作用对振动特性的影响。并对引起管系振动的主要原因介绍。从不同振动原因入手提出相应的减振控制技术,其中包括三种减振途径:减小管线压力脉动、消除管线共振和转移消耗振动能量。对结构系统的振动控制后,减振效果有具体标准衡量,振动控制标准分为管线标准和压缩机标准两个部分,分别对不同工作频率下的管道及不同压缩机种类振动标准进行描述。(2)研究管线系统的振动特性理论,阐述推导管线振动系统的描述和建模方法,通常使用离散方法描述振动系统,并对结构系统中起耗散振动能量的阻尼理论分析,包括阻尼形式与受影响因素;研究管系所受流固耦合作用的影响,应先研究流固耦合基础理论,包括流体系统的流动均遵守质量守恒、动量守恒和能量守恒定律,仿真时流体和固体交界面处的应力和位移应满足正常传递,才能保证流固耦合发挥作用并求解;振动特性理论方面,还对模态分析方法、谐响应分析求解方法进行阐述,上述分析实现对结构振动趋势和过程的确定;针对振动控制的优化设计问题,通过明确优化问题中的优化变量、目标函数和约束条件,构建数学问题表达式,为后续参数优化提供理论支撑。(3)管线系统的振动实验研究,基于往复压缩机管线振动综合测试实验平台开展。首先进行了管线基本工况实验,了解管线三种通断工况下实验平台自身的振动响应,存在有测点振动位移超标的情况,故对管线作进一步振动分析与控制。其次进行流固耦合对比实验,使研究的管线分别处于非耦合与耦合作用下,对比流固耦合对管线振动特性的影响,结果表明该实验工况下耦合作用对振动特性产生影响但不明显。同样进行了不同减振装置的实验,对装置的最优约束位置及减振效果探究,蝶形弹簧管夹的最优位置为十三,普通弹簧的管夹最优位置为六,管道阻尼器最大降幅达到23.6%,减振后系统均满足振动标准要求,并且在该工况下管道阻尼器减振效果最优。(4)研究有限元模拟管线振动特性,使用Ansy Workbench对管线进行振动仿真的研究,分别从流固耦合影响、管线模态分析模块、谐响应分析模块以及参数化的振动控制方面进行。使用单向耦合模拟的方法,尽可能复原实验现场工况,得到0.6Mpa的工作压力下,管线系统最大变形位移及最大应力,耦合作用对管道固体系统有一定影响但不明显,与实验结果相吻合。模态分析采用耦合与非耦合作用进行,结果表明前者使固有频率略有上升,但不影响管线的振型趋势。谐响应分析则是利用压缩机不同倍频的激发频率模拟共振情况,得到频率和振动响应的对应关系,在激发频率为350.3Hz时振动响应达到最大,为振动控制需要避开的频率提供参考。使用参数优化方法,模拟管道阻尼器最优减振位置在0.069m处,得到的管线振动变形云图和实验结果一致,说明使用有限元仿真是研究减振装置效果的正确方法。(5)研究管线新减振阻尼器设计,从工作原理与控制手段方面选择新阻尼器的结构形式,对主要零部件进行设计计算,结合有限元仿真方法对新阻尼器自身设计情况进行检验,使用参数优化的方法进行减振效果的模拟,同时得到新阻尼器减振的最优约束位置。对比管线约束前后的振动响应数据,新阻尼器相比原阻尼器振动位移下降了 9.93%,虽然最大应力相比原阻尼器增加,但仍在需用范围之内,说明设计的新阻尼器减振效果满足目标要求。为相关的往复压缩机管线的振动控制,提供方法参考和解决思路。
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