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管道运输是一种高效、便捷的物质运输方式,广泛应用于工业和日常生活中。作为管道运输的两种基本模式,流体输送与固体传送过程中都存在着管内流体与运动固体间各种形式的交互作用,对管道运输的效率、稳定性和可靠性都有着重要影响。传统基于经验或实验的设计方法难以有效评价这种动态交互作用,从而制约了设计效果。本文结合实际工程案例,分别就几种典型的管内固体运动形式,即被动定轴旋转运动、被动直线运动以及主动定轴旋转运动,研究管内流体与运动固体的动态作用的数值仿真方法,并总结过程中的物理规律,希望能更好地指导管道运输系统的设计和优化。主要内容包括:(1)基于某DN600蝶式止回阀,开展管道固体被动定轴旋转运动问题的数值模拟研究。通过用户自定义函数(User Defined Functions,UDF)获取管内流体作用在阀板上的力和力矩,基于动力学原理预测阀板的实时运动参数,并利用动网格技术控制阀板的位置更新,成功实现了阀板被动定轴旋转运动过程的流固耦合动态仿真。进一步地,运用该仿真方法研究了蝶式止回阀不同入口压力条件下阀门管道内流场、压力场、流量、动水力矩随阀门启闭的动态变化规律,总结了阀门启闭条件。(2)基于某真空抽吸容器式气力输送装置中样品瓶,开展管道固体被动直线运动问题的数值模拟研究。为减小全流场区域被动直线运动的计算量,截取流场区域某个固定的出口,采用Darcy-Weisbach方程对沿程的压降进行估算。通过6DOF动网格模型获取管内流体作用下样品瓶六个方向的自由度来实时预测样品瓶的运动参数,并利用动网格技术控制样品瓶的位置更新,成功实现了样品瓶被动直线运动过程中的动态仿真。从而运用该仿真方法研究了样品瓶在不同出口边界条件、不同真空度、质量下真空管道内流场、压力场和空气阻力随样品瓶的被动直线的动态变化规律。(3)基于某百万核电再热阀门组,开展管道固体主动定轴旋转运动问题的数值模拟研究。通过区域性滑移网格技术指定执行机构作用在阀板区域的运动变化规律,同时对静/动区域的交界面采用混合平均(Mixed-out Averaging)算法进行流场数据的传送,成功实现了再热调节阀主动定轴旋转过程中流固耦合动态仿真。并运用该仿真方法研究了再热调节阀在不同进口质量流,启闭速度下阀门管道内压力、速度场、气动力矩等随阀门启闭的动态变化规律。本文对管内流体与运动固体的动态作用过程的仿真方法的研究,解决了流场初始网格定义、运动固体运动方式的描述、网格的动态更新和动态耦合过程中非线性带来的计算稳定性问题,并结合实例分析总结了典型工况下的物理规律,对指导复杂管道运输系统的设计优化提供有效支持。