储气库注采管柱流致振动与屈曲的动力特性研究

作     者：许培元 

作者单位：东北石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张强;张宏岩

授予年度：2021年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 082003[工学-油气储运工程] 

主      题：注采管柱 屈曲 流固耦合 固有频率 临界长度 

摘      要：储气库注采管柱在运行过程中会受到自重、温度、内外压的作用,并且注采管柱在套管的作用下,注采管柱会产生屈曲变形,同时注采管柱在运行过程中,由于管柱内的流体的流动,与注采管柱产生流固耦合现象,极易引起注采管柱的振动。为了避免注采管柱发生振动,对注采管柱的固有频率及流固耦合固有频率进行分析,同时研究注采管柱在流固耦合作用下的屈曲现象,本文采用有限元的分析方法,建立了套管内注采管柱的几何和接触非线性有限元模型。本文分析了注采管柱内流体的流动方式为湍流时对管柱振动的影响,并采用计算模态分析法对注采管柱进行模态分析,考虑注采管柱与管柱内流体的流固耦合,分析注采管柱的流固耦合固有频率。考虑到注采管柱在井筒内的受力情况,研究注采管柱在受轴向压缩载荷时的固有频率,以及注采管柱在受轴向压缩载荷与流体共同作用时的流固耦合固有频率。研究表明,管柱的固有频率随着管柱长度的增加而减小;管柱的固有频率在受轴向载荷时,管柱的固有频率也会减小;注采管柱在考虑轴向压缩载荷与流体共同作用时,管柱的流固耦合固有频率,会进一步减小。采用动力松弛法,通过已知的注采管柱屈曲临界长度与临界载荷公式,得到一定屈曲临界长度下的临界载荷。并已经建立有限元流固耦合模型,分析注采管柱的流固耦合现象对管柱屈曲临界长度的影响,研究表明,当注采管柱在考虑管内流体的影响时,当管柱屈曲的临界长度为定值时,由于流体的流固耦合作用,注采管柱的屈曲临界长度会减小,随着流量的增加,管柱屈曲的临界长度减小的越多;当管柱内流量一定时,随着管柱屈曲临界长度的增加,管柱的流固耦合屈曲临界长度减小的越多;改变管柱的直径,管柱内流体流量一定时,管柱直径的变化对管柱的流固耦合屈曲临界长度并没有影响。本文通过研究储气库注采管柱在极限条件的运行工况,研究其固有频率的变化,屈曲临界长度的变化,对注采管柱扶正器的安放间距具有一定的指导意义。