【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及长输管道安全防护，具体而言，涉及一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法。
技术介绍
1、随着管网互联互通，输气管道的负荷逐渐增大，常存在流速超过20m/s的现象，这一现象在输气管道分叉时尤为明显，在管道分叉时，由于应力集中、约束点集中，加上在弯头等位置出现不均匀受力，很容易形成时间、空间上不均匀的力矩，导致埋地管道在湍流下出现振动，出现管道断裂的隐患。
2、因此亟需一种评估分叉管道振动振幅的方法，通过对分叉管道输送压差(能耗)、管道结构等方面的连续考察，以建立输气管道内流速与管道振幅的关系。
3、有鉴于此，特提出本申请。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术目的在于提供一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，通过对管道的输送流量、压力、管道结构、管道固有频率等方面的配合计算，形成了一种基于流速计算分叉管道的振幅的振动模拟方法，可以在管道运行阶段获得高流速对管道振动的振幅，有助于优化维修周期，降低维修成本；也可以在设计阶段评估分叉管道的振动情况，以便及时对运行压力、运行流量方面进行调整。
2、目前关于管道振动计算的方法主要如下：
3、(1)申请人：中冶南方都市环保工程技术股份有限公司；申请号cn202010811765.9公开了一种工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法及系统，其包括如下步骤：，
4、①获取拟研究管道的工艺设计文件及信息；
5、②根据所述工艺设计文件及所述信息
6、③根据所述三维模型对出现振动和/或堵塞问题的局部管道进行三维流场数值模拟优化，最后获得符合管道流场优化指标的管道整体优化结构。
7、该专利主要技术路线是，数值建模→模拟计算→3d信息渲染→展示结构。这种方法并没有直接对振动进行分析，而是采用了一种间接的方法。
8、(2)申请人：华能(浙江)能源开发有限公司清洁能源分公司；申请号cn202111198351.4公开了一种基于cfd模拟的海底管道的振动频率监测方法和系统，该方法包括：
9、①在cfd模拟软件中建立模拟任务；设置模拟任务所需的物理模型和物理参数；建立海底管道的二维冲刷模型，对二维冲刷模型的计算域进行网格划分，并设置计算域的初始条件和边界条件；
10、②在海底管道的模型上设置监测点，采集监测点所受的流体力，以获取海底管道的流体力时程变化曲线，并对曲线进行快速傅里叶变换；确定求解数值的计算方法，设置计算时间步长；运行模拟计算；
11、③以文本和图像的方式输出管道的振动频率变化曲线和管道周围的流场信息。
12、该方法主要考察的是海洋中流体对管道本体的影响，而不是管内部输送流体对管道振动的影响，而且，该方法在模拟的过程中并未与实验进行验证，进而具有一定局限性。
13、(3)申请人：天津大学；申请号cn201510650936.3公开了一种海底多跨管道涡激振动的预报方法，该方法包括：
14、①建立管道结构和外界流场的流-固耦合作用模型、确定模态和尾流振子模型参数等步骤。其优点是：通过改变扭转弹簧或拉伸弹簧的弹性系数模拟多种海底土壤对多跨管道的约束条件；
15、②利用试验数据对尾流振子模型中的参数进行标定，从而获得精确预报海底多跨管道涡激振动的技术效果；
16、③可以得到海底多跨管道涡激振动响应的时间历程以及海底多跨管道涡激振动响应的频率，为评估海底多跨管道涡激振动的疲劳寿命提供可靠的理论依据，并为海底多跨管道涡激振动的研究、防范和治理提供有效的方法。
17、该方法主要是通过在现场实验中获取了一些关键参数，并基于这些参数为振动的发生提供了预警，并未直接对目标管道进行计算和振动预测。
18、同时，通过调研《燃气管道工程技术手册》发现输气管道中的流速在20m/s时是可查到标准的允许最大流速，但当流速超过20m/s时，还没有相关标准能明确流速对管道振动的计算方法。
19、基于现有技术并没有基于流速计算分叉管道振幅的方法，因此本专利技术提供一种评估分叉管道振动振幅的方法，定量分析了12～40m/s下管道受到振动的影响，具体如下。
20、本专利技术通过下述技术方案实现：
21、一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
22、s1，获取分叉管道的相关参数，采用3d建模软件建立分叉管道物理模型；
23、s2，获取需要划分的网格节点的总数、网格的尺寸，对已建立的物理模型，进行数学网格划分；
24、s3，将边界条件设置为“壁面”，初始条件设置为初始时刻管道入口的流速v、压力p；
25、s4，利用有限体积法对数学模型进行求解计算，得到分叉管道内压力p和流速v的分布情况；
26、s5，通过步骤s4的结果，得到在流速突变处气体传导给外部管壁的压力方向和大小；
27、s6，计算管道固有频率：通过多自由度系统的运动微分方程，采用newmark单步积分方法求解管道的固有频率；
28、s7，确定分叉管道的约束点为管道分叉点和管道拐弯点，并计算约束点处的加速度a(m/s2)，计算公式如下所示：
29、其中p为作用在约束点处的压力，mpa；a为作用力的作用面积，m2；m为整个分叉管道的总质量，kg；
30、s8，利用加速度a和管道固有频率计算分叉管道的振幅。
31、进一步的，分叉管道的相关参数包括管道的长度、直径和壁厚，弯头的长度、曲率半径和壁厚。
32、进一步的，s4中数学模型的求解方法为在不同的物理点处固定计算单元，通过计算单元的有限体积差分法，计算不同单元内的流速v和压力p，从而得到整个数学模型中流速、压力的分布情况；其中，有限体积法的计算公式如下所示：
33、
34、
35、进一步的，s6中多自由度系统的运动微分方程如下所示：
36、
37、其中，m为质量阵，k为刚度阵，c为阻尼阵，f(t)为外部激励向量，u(t)为系统的位移向量；
38、设多自由度系统为n阶线弹性多自由度系统，则质量阵m、刚度阵k、阻尼阵c为如下形式：
39、
40、其中，mj、kj和cj(j＝1,2....n)分别表示系统中第j个自由度的质量、刚度和阻尼系数。
41、进一步的，newmark单步积分方法求解固有频率的具体步骤如下：
42、newmark引入两个参数β和γ，将taylor展开式作截断处理，得到：
43、
44、
45、
46、将式(6)带入式(5)和式(4)得到下式：
47、
48、
49、将上述两式带入式(3)得到下式：
50、
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1.一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，其特征在于，分叉管道的相关参数包括管道的长度、直径和壁厚，弯头的长度、曲率半径和壁厚。
3.根据权利要求1所述的一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，其特征在于，S4中数学模型的求解方法为在不同的物理点处固定计算单元，通过计算单元的有限体积差分法，计算不同单元内的流速v和压力P，从而得到整个数学模型中流速、压力的分布情况；其中，有限体积法的计算公式如下所示：
4.根据权利要求1所述的一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，其特征在于，S6中多自由度系统的运动微分方程如下所示：
5.根据权利要求4所述的一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，其特征在于，Newmark单步积分方法求解固有频率的具体步骤如下：
6.根据权利要求1所述的一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，其特征在于，分叉管道振幅的计算式如下所示：
7.根据权利要
8.根据权利要求1所述的一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，其特征在于，所述振动模拟方法基于ANSYS软件进行编程模拟计算。
9.根据权利要求8所述的一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，其特征在于，S1中3D建模软件采用ANSYS自带软件Space claim、Geom或者Auto Cad中的三维建模模块。
10.根据权利要求8所述的一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，其特征在于，在ANSYS软件中的操作步骤如下：
...【技术特征摘要】
1.一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，其特征在于，分叉管道的相关参数包括管道的长度、直径和壁厚，弯头的长度、曲率半径和壁厚。
3.根据权利要求1所述的一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，其特征在于，s4中数学模型的求解方法为在不同的物理点处固定计算单元，通过计算单元的有限体积差分法，计算不同单元内的流速v和压力p，从而得到整个数学模型中流速、压力的分布情况；其中，有限体积法的计算公式如下所示：
4.根据权利要求1所述的一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，其特征在于，s6中多自由度系统的运动微分方程如下所示：
5.根据权利要求4所述的一种天然气分叉埋地管道在高流速下的振动模拟方法，其特征在于，newmark单...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑思佳，郑晓春，陈敬东，王峰，余进，涂振权，王智，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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