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华中科技大学硕士学位论文摘要作为流体压缩及动力输送的通用机械，压缩机一向被视作化工行业的核心设备，其能否安全平稳地运行直接关乎相关企业经济效益。
活塞压缩机进、排气过程带有间断特性，使得进排气管内气流参数呈脉动变化，出现气流脉动现象。
气流脉动极易导致管道振动，从而引发压缩机容积效率变低、功率损耗增加等危害。
因此，研究脉动产生机理及其对管道振动特性产生的影响便具有较强意义。
本文针对阀腔压力脉动与管道振动作了以下研究。
建立了求解阀腔压力脉动的数学模型，综合考虑了压缩机阀腔、阀片运动和管道系统等对气流脉动的影响，将压缩机和管系作为一个动态关联的整体进行研究，使得压缩机工作特性的气流脉动分析更接近实际情况，计算结果精度更高。
根据压缩机工作和阀片运动规律特性的模拟结果，对是否考虑阀腔影响的两种情况，进行对比分析，结果表明，若考虑阀腔影响，阀片撞击升程限制器的速度增加约10%，容易损坏阀片。
然后讨论了阀片升程、弹簧刚度及阀片质量等气阀结构参数对气阀运动规律和缸内压力的影响。
另外，通过阀腔压力脉动模型的求解，获得了进气阀腔的压力变化情况，压力不均匀度为3.49%，在合理范围内。
基于流固耦合模态与气柱固频分析的基本理论，探索了压力、壁厚、内径等参数对所建管道固频的影响情况，并进行了管内气柱模态分析。
基于模态分析结果，对弯管内气体处于非定常状态时管路振动响应问题进行数值分析，同时还研究了脉动流体的频率与幅度等参数对管道响应的影响规律。
研究发现，压力脉动使管道应力出现较大波动（7%），这种较大幅度的交变应力极易破坏管道；在流固耦合作用下，管道基频随压力脉动频率的增大而升高，且当管道基频或气柱固频与气流脉动频率相近（共振）时，管道变形增大为非共振情况的2-3倍。
关键词：大型往复压缩机；气阀运动规律；阀腔压力脉动；管道振动；瞬态分析华中科技大学硕士学位论文AbstractAs a general machine of fluid compression and power delivery, compressor always been regarded as the core equipment of the petrochemical industry. Whether safe and smooth operation is directly related to the economic interests of the related enterprises. The inlet and exhaust process of piston compressor is intermittent, which makes the parameters of the air flow in the inlet and exhaust pipes change periodically, and then the flow pulsation occurs. Airflow pulsation can cause pipeline vibration easily, which leads to lower volumetric efficiency of compressor and the increasing of power loss etc. Therefore, it has great significance to study the mechanism of pulsation and its’ influence on the vibration characteristics of pipeline. In this paper, the pressure pulsation of valve cavity and the vibration of pipeline are studied as follows.First, we established the mathematical model of pressure fluctuation in valve chamber. The influence of valve chamber, valve motion and pipeline system on the flow pulsation are considered synthetically in this model, which makes the compressor and pipe system formed integrally, and this kind of air flow pulsation analysis combined with compressor working characteristics will make the calculation results more accurate and closer to the actual situation.According to the simulation results of compressor work and the motion law of valve plate, we compared and analyzed the influence of with or without valve cavity, the rsults show that if we take into account the valve cavity, the speed of valve plate impact lift limiter is increased by about 10%, and the valve plate is easily damaged. After that, we discussed the influence of valve structure parameters such as valve plate lift, spring stiffness and valve blade mass on valve motion and cylinder pressure. By solving the pressure fluctuation model of the valve cavity, the pressure variation of the inlet valve cavity is obtained, and the pressure inhomogeneity is 3.49, which is within a reasonable range.华中科技大学硕士学位论文Last, we studied the influence of pressure, wall thickness and inner diameter on the natural frequency of the pipeline based on the basic theory of fluid-solid coupling and modal analysis. After the modal analysis of the gas column in the pipe was carried out, based which numerical analysis of the vibration response of the pipe was done when the gas in the bend is in an unsteady state. At the same time, the influence of the frequency and amplitude of the pulsating fluid on the pipeline response is also studied. We found that the pressure pulsation causes the pipeline stress to fluctuate greatly (7%), which is easy to destroy the pipeline, and the fundamental frequency of the pipeline increases with the increase of the pressure pulsation frequency under the action of fluid-solid coupling. When the fundamental frequency of the pipeline or the fixed frequency of the gas column is close to the pulsating frequency of the gas flow (resonance), the deformation of the pipeline increases 2-3 times as much as that of the non-resonance case.Keywords: Large Reciprocating compressor; Motion law of valve; Pressure pulsation of valve chamber; Pipe vibration; Transient analysis华中科技大学硕士学位论文主要符号表h阀片位移 y阀片运动速度 θ曲轴转角 v M阀片质量 ω曲轴转角速度 β 推力系数 p气体压力 s p 进气压力 d p排气压力s A气阀推力面积so p进气阀腔气体初始压力 do p排气阀腔气体初始压力 so ρ 进气阀腔初始气体密度 do ρ排气阀腔初始气体密度 z气阀弹簧个数 K弹簧刚度系数 0H弹簧预压缩量 k气体绝热指数 V气体容积 A α气阀有效通流面积 R气体常数 s T进气温度 d T排气温度 S活塞行程p A活塞底面积 λ曲柄半径与连杆长度比值 0V余隙容积 D气缸直径 1α阀隙流量系数 e α阀座通道流量系数 v A环周长 e A阀座通道面积 1N进气阀个数 2N排气阀个数 Q热量W 功 下标imp 碰撞值 下标reb 反弹值 下标s进气 下标d排气H阀片升程s Φ进气管道质量流量 csΦ流经进气阀气体质量流量 cdΦ流经排气阀气体质量流量 d Φ 排气管道质量流量s ρ进气密度华中科技大学硕士学位论文s L进气管道长度 d L排气管道长度 d ρ排气密度 s V进气阀腔体积d V排气阀腔体积s λ进气管沿程阻力损失系数 d λ排气管沿程阻力损失系数 R C 阀片反弹系数 s K进气管局部阻力系数d K排气管局部阻力系数华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract ........................................................................................................... I I 主要符号表 (IV)目录 (VI)1绪论 (1)1.1 课题背景与研究意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.3 本文主要工作 (6)2往复式压缩机阀腔压力脉动数学模型 (8)2.1 引言 (8)2.2 压缩机工作过程数学模型 (8)2.3 阀片运动方程 (11)2.4 阀腔压力控制方程 (13)2.5 管内气体流动方程 (15)2.6 阀腔压力脉动数学模型及计算条件 (16)2.7 本章小结 (18)3阀片运动及阀腔压力脉动模拟 (20)3.1 引言 (20)华中科技大学硕士学位论文3.2 阀片运动规律与影响因素分析 (20)3.3 阀腔压力脉动分析 (27)3.4 本章小结 (28)4输气管道流固耦合模态分析及气柱固有频率计算 (29)4.1 引言 (29)4.2 流固耦合基本原理 (29)4.3 管道结构模态分析 (33)4.4 气柱固有频率计算 (41)4.5 本章小结 (44)5管道流固耦合瞬态特性分析 (45)5.1 引言 (45)5.2 弯曲管道流固耦合模型 (45)5.3 数值分析 (47)5.4 结果分析及不同因素影响 (47)5.5 本章小结 (54)6总结与展望 (56)6.1 全文总结 (56)6.2 研究展望 (57)致谢 (58)华中科技大学硕士学位论文参考文献 (59)硕士期间研究成果 (66)华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1 课题背景与研究意义作为流体压缩及动力输送的给予者，压缩机一向被视作化工行业的核心设备，压缩机将流体加压加速后使其快速涌向装置的其他部位，其能否安全平稳地运行直接关乎相关企业经济利益。
第49卷第12期2021年6月广州化工Guangzhou Chemical IndustryVol.49No.12Jun.2021浅谈往复泵管道设计要点敬文娟（新地环保技术有限公司，河北廊坊065000）摘要：从现场出现的泄漏、断裂、振动这三种情况出发，分析了出现这些问题的可能原因，提出往复泵管道设计时的一些注意问题。
并给设计者提出部分设计注意事项，例如：往复泵前后需要设置相应的缓冲罐、优化管道走向设计，避免不必要的弯头等、关注小支管的支架、确保主管支吊架刚度足够，管道稳定性加强、避免共振的发生等。
设计时关注这些方面，可以很好地避免现场类似情况发生，从而确保现场安全稳定运行。
关键词：往复泵；泄漏；断裂；振动；共振中图分类号：TB21文献标志码：B文章编号：1001-9677（2021）012-0139-04 Brief Introduction to Design Key Points of Reciprocating Pump PipingJING Wen-juan(ENN Envirotech.Co.,Ltd.,Hebei Langfang065000,China)Abstract:Based on the leakage,fracture and vibration,the possible causes of these problemswere analyzed,and some attention problems in the design of reciprocating pump pipingwere put forward.Some design considerations were put forward for designers,such as setting corresponding pulsationdampener before and after reciprocating pump,optimizing the design of pipeline,avoiding unnecessary elbow,paying attention to the support of small branch pipe,ensuring the stiffness of main support was enough,enhancing the stability of pipeline,avoiding resonance,etc.Attention to these aspects during design can well avoid the occurrence of similar situations in the field,so as to ensure the safety and stability of the field operation.Key words:reciprocating pump；leakage；fracture；vibration；resonance往复泵主要适用于高压（或超高压）、小流量，要求泵的流量恒定或定量（计量）或成比例地输送各种不同的介质（液体）,或者要求吸入性能好或者要求有自吸性能的场合。
往复泵和离心泵的功能、性能及应用的对比阐述摘要：通过对《石油工程流体机械》课程的学习，本文对往复泵和离心泵的功能、性能及应用进行了对比分析，加深了对两种泵的理解，为今后在设计工作中更好的应用打下了良好的基础。
关键词：往复泵离心泵排出端阀门流量1 往复泵和离心泵的结构、工作原理及性能1.1 往复泵的结构、工作原理及性能1.1.1 往复泵的结构往复泵主要由两大部分组成，即往复泵的动力端（驱动端）和液力端（水力端）。
（1）. 动力端主要由输入轴、输出轴（主轴）、曲柄、连杆、十字头（十字头为动力端与液力端的分界点）等总成组成。
(2). 液力端主要由由液缸、活塞、活塞杆、吸排阀室（阀箱）、吸排阀、吸排管线等总成组成。
1.1.2 往复泵的工作原理(1).活塞由电动的曲柄连杆机构带动，把曲柄的旋转运动变为活塞的往复运动；或直接由蒸汽机驱动，使活塞做往复运动；(2).当活塞从右向左运动时，泵缸内形成低压，排出阀受排出管内液体的压力而关闭；吸入阀受缸内低压的作用而打开，储罐内液体被吸入缸内；(3).当活塞从左向右运动时，由于缸内液体压力增加，吸入阀关闭，排出阀打开向外排液。
由此可见，往复泵是依靠活塞的往复运动直接以压力能的形式向液体提供能量的。
1.1.3 往复泵的性能特点(1) 效率高而且高效区宽。
(2) 能达到很高压力，压力变化几乎不影响流量，因而能提供恒定的流量。
(3) 具有自吸能力，可输送液、气混合物，特殊设计的还能输送泥浆、混凝土等。
(4) 流量和压力有较大的脉动，特别是单作用泵，由于活塞运动的加速度和液体排出的间断性，脉动更大。
通常需要在排出管路上（有时还在吸入管路上）设置空气室使流量比较均匀。
采用双作用泵和多缸泵还可显著地改善流量的不均匀性。
(5) 速度低，尺寸大，结构较离心泵复杂，需要有专门的泵阀，制造成本和安装费用都较高。
活塞泵主要用于给水，手动活塞泵是一种应用较广的家庭生活水泵。
柱塞泵用于提供高压液源，如水压机的高压水供给，它和活塞泵都可作为石油矿场的钻井泥浆泵、抽油泵。
注水泵管线震动大的原因及处理摘要：注水泵进出口管线的振动，是困扰油田的正常注水的一个重要问题，造成注水泵进出口管线频繁破裂，维修工作繁重，制约了油田的正常生产，增加了生产运行费用。
本文主要分析了解决注水泵管线振动的必要性，阐述了注水泵的振动原理，并通过震动测试分析了注水泵管线震动的原因，并采取了相应的减震措施，通过减小或消除注水泵系统的振幅、避开共振动管长、合理布置管道和设置、在进口侧采用双进口供液、加装软连接、加装离心式灌注泵以及在出口侧加装蓄能器、加装金属波纹软管、加强管理等措施，达到减小振动的目的，确保供、注系统运行平稳。
关键词：注水泵；管线；振动；处理作为提高原油生产量和生产效率的有效方式，注水采油是油田采油生产的关键环节之一，对于维持油井的稳定生产起着至关重要的作用。
注水系统的安全稳定运行直接影响到生产的安全、采油的质量和效率。
因此，对于油田注水系统中必不可少的设施之一的注水泵管线系统，保证其性能的稳定与运行的安全也就有着非常重大的工程意义。
1解决注水泵管线振动的必要性管线的强烈振动将使管线的结构及其元件产生疲劳破坏、连接部位发生松动和破裂、动力设备的寿命降低、管路系统的测量仪表失真甚至损毁等情况。
因此，油田注水泵及其管线系统的振动不仅存在重大的安全隐患，还会严重影响注水时率。
治理好管线振动，保证管线系统安全稳定地运行，对提高采油效率及质量都有重要的意义。
2注水泵管线振动大的原因解析2.1管线振动机理管线内流体的压力脉动产生的激振力是管线振动的主要外力之一。
由于活塞式压缩机、往复泵等管道系统中的动力机具有间歇性、周期性吸、排量的特点，将使管流产生脉动。
处于脉动状态的管内流体，在遇到弯管头、异径管、盲板等管道元件时，将产生一定的随时间而变化的激振力，在这种激振力的作用下，管道及其附属设备也开始产生振动。
管线两端分别与主动机的出入口、容器、阀门或孔板等设备或装置相连结。
管道及其支承架和与之相连接的各种设备或装置构成一个复杂的机械结构系统，在有激振力的情况下，这个系统就要产生振动。
流体动力学（CFD）在往复式压缩机管道系统气流脉动计算中的应用流体动力学（CFD）在往复式压缩机管道系统气流脉动计算中的应用摘要：参照实验室所搭建的管道系统实验平台，根据计算流体动力学（CFD）方法建立管道内气体的二维非定常流动模型。
利用流体仿真软件FLUENT计算了缓冲器及孔板前后的气流脉动，通过分析气流脉动曲线及流场的分布情形验证了缓冲器及孔板对气流脉动的消减作用。
通过对比实验数据验证了利用CFD技术研究管道系统气流脉动是准确可靠的。
关键词：管道系统 CFD技术气流脉动 FLUENT 孔板往复式压缩机是石油、天然气、化工及电力等工业生产中的重要机械设备，其管道系统又是实现物质运输的主要途径，然而管道系统的振动会对安全生产造成很大的威胁，众多生产实践表明压缩机管路的绝大多数振动问题都是由气流脉动引起的，而压缩机吸排气的间歇性、周期性特点是产生气流脉动的主要原因。
因此研究气流脉动的产生机理，建立合理的流体动力学模型进行管道中气流脉动的预测具有重要的理论意义和工程实用价值。
现有研究气流脉动较为成熟的方法大多基于平面波动理论[1]或一维非定常流动理论[2]，它们均未考虑流体流动时湍流的影响，同时对缓冲器、孔板、冷却器、分离器等管路元件的气流脉动计算精度也较差。
随着计算机速度的提高和近年来CFD技术的发展，选用有限元方法[3，4]及有限容积法[5]计算管系的气流脉动取得了一定的成效。
CFD方法[6]应用于稳态的工业流场模拟已有较多的报道，但对非稳态的脉动流场研究较少。
本文基于CFD方法建立管道系统流体动力学模型。
在考虑湍流的情况下[7]，模拟了含空冷器及孔板管道等管路原件的管道系统非定常流动时气流脉动及流场特性。
通过和实验数据对比验证了CFD方法计算管道系统气流脉动的合理性及准确性。
一、CFD模拟计算理论目前广泛用于计算流体力学的数值方法有有限差分法、有限元法、有限体积法等，其目的都是将控制方程离散化，本文用到的CFD 软件FLUENT[8-9]采用有限体积法将非线性偏微分方程转变为网格单元上的线性代数方程，然后通过求解线性方程组得出流场的解。
水平往复活塞泵的流量与压力波分析一、活塞泵的工作原理活塞泵是一种利用活塞在缸体内作往复运动来吸入和排出介质的泵。
当活塞运动进水室时，活塞内所对应的排油室口闭合；反之，当活塞运动至排油室时，进水口关闭，排出口打开，介质便被排泄出去，如此往复即可形成连续不断的介质流动。
水平往复活塞泵通常分为双活塞式和多活塞式两种，下文的分析针对的是多活塞式。
二、流量变化与压力波特性1.流量变化一个多活塞水平往复活塞泵可以产生几个水平流量循环波。
在一个周期内，各个活塞产生的流量波相互叠加，形成总流量波。
图1展示了一个5活塞的水平往复活塞泵所产生的总流量波形。
由于不同活塞之间的相位差异，流量波形表现出类似于正弦波的周期变化。
减轻不同活塞之间的相位差异可以使得流量波形变得更加平滑，但是缩短活塞运动周期则会使波形更加尖锐，如图2所示。
在设计多活塞水平往复活塞泵时，需注意尽量减小活塞之间的相位差异，使总流量波变得平滑。
2.压力波特性水平往复活塞泵的特殊工作方式使得在泵内形成了复杂的压力波，这些波可导致系统中出现节流、扩散和冲击等现象。
在高频波的情况下，这些现象可能会导致系统不稳定，从而对系统的可靠性和耐用性产生影响。
水平往复活塞泵的压力波主要由三部分组成：（1）液柱惯性波：当泵排出端口在泵体内前向运动时，液体将会撞击液体中的空气，导致液柱惯性波的产生，这会导致压力急剧增加。
（2）泵内波：泵内波是超过泵驱动压力而产生的泵入口波动。
（3）压力传导波：压力传导波是由压力传播到管道中引起的，可以经由波反射、波透过等现象而影响泵的输出波波形。
这些波会导致不同的系统响应，因此在设计和使用水平往复活塞泵时，需要注意泵的振动和冲击问题。
泵和系统组成的系统如果不能良好地集成，会使泵的可靠性和耐用性降低。
三、结论多活塞水平往复活塞泵的流量和压力波形主要受到不同活塞的相位和泵组成的系统特性的影响。
在泵和系统的集成中需要注意泵的振动和冲击问题，以提高泵的可靠性和耐用性。
水压试验中的管道流动与压力波动分析在水压试验中，管道流动与压力波动是非常重要和常见的问题。
本文将对水压试验中的管道流动和压力波动进行分析，以便更好地理解和掌握这一问题。
一、管道流动分析管道流动是指水在管道内流动的过程。
在水压试验中，为确保管道的质量和安全性能，需要对管道的流动情况进行分析和评估。
1. 流速分布在管道中，由于摩擦和阻力的影响，水的流速会随着管道长度的增加而发生变化。
一般情况下，管道的入口处流速较高，逐渐向出口处减小。
通过测量不同位置的流速，可以得到管道内的流速分布情况。
2. 流量计算水压试验中，对于管道流动的分析离不开流量的计算。
流量是指单位时间内通过管道的水量。
通常使用流量计来测量流量，根据测得的数据可以计算出管道的流量，并进一步分析流量与压力的关系。
3. 流动模式管道流动可以分为层流和紊流两种模式。
层流是指流体以相对固定的层状流动，流速分布均匀，流体之间无明显的交换和混合。
紊流则是指流体以混乱的形式流动，流速分布不均匀，存在旋涡和涡流等现象。
通过观察流动的模式，可以了解管道内的流动情况。
二、压力波动分析在水压试验中，压力波动是指管道内压力出现的瞬时波动现象。
这种波动可能对管道的安全性和稳定性产生影响，因此需要进行分析和评估。
1. 压力传递压力波动在管道内的传递过程中会发生反射和干扰，从而影响管道内压力的分布和变化。
通过研究压力的传递规律，可以了解不同位置的压力变化情况，为管道的设计和运行提供依据。
2. 阻力和压力损失在管道流动过程中，由于阻力和摩擦的作用，水流经过管道内壁面时会产生压力损失。
这种压力损失对于管道内压力波动的产生和传播具有重要影响。
通过分析阻力和压力损失的大小和分布情况，可以进一步理解压力波动的形成机制。
3. 压力泄漏在水压试验中，管道内可能存在压力泄漏的情况。
当管道发生泄漏时，泄漏处的压力会瞬间下降，从而引起管道内的压力波动。
通过观察和分析压力波动的特征，可以判断和定位管道的泄漏点，为后续的维修和处理提供指导。
