某试验系统用调节阀内部流场数值模拟及优化研究

摘要

调节阀作为重要的控制元件，广泛应用于管路系统中。随着工业发展的不断前行，对调节阀的调节性能与设计要求也在不断提高。研究调节阀内部介质流动状态与规律，对调节阀优化设计，提高调节阀的性能，探索调节阀未来发展趋势有着重要理论意义和实用价值。由于调节阀内部流场通常复杂多变，难以通过实验直接观察，所以本文以调节阀为研究对象，首先通过数值模拟对其内流场进行了可视化分析，采用数值模拟结合流量试验的方法探究了调节阀的流量特性，然后通过理论计算对调节阀进行了优化设计，最后探究了优化后的调节阀阀芯形状改变是否会引起共振。具体内容如下： （1）介绍了调节阀的结构和工作原理，结合流体力学中伯努利方程，推导出调节阀流量方程。对调节阀的固有流量特性进行了详细介绍。介绍了CFD的求解过程，计算流体力学控制方程，湍流模型等基础理论知识，为后续的数值模拟奠定基础。 （2）通过SolidWorks建立不同开度下调节阀三维模型并抽取流道，利用ICEM对流道进行网格划分。通过Fluent对阀门不同开度下内流场进行数值模拟得到调节阀内流场可视化细节图，分析调节阀内压力、速度等变化；根据数值模拟结果计算了不同压差下的流量系数并绘制流量系数及流量特性曲线。 （3）对调节阀进行流量特性试验得到它的实际流量特性并将试验结果与模拟结果进行对比分析。通过理论计算的方法设计得到调节阀阀芯形面，并据此对调节阀阀芯进行优化设计。 （4）对优化后的调节阀进行流固耦合模态分析得出其湿模态固有频率；对实际工况下不同开度调节阀进行数值模拟得到流噪声频率及涡脱落频率；将固有频率与流噪声频率及涡脱落频率进行比较，进一步判别优化后的调节阀是否会发生共振。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1调节阀流场及优化设计研究现状

1.3.2调节阀流致噪声及涡激振动研究现状

1.4 主要研究内容

1.5 本章小结

第2章 调节阀结构原理及流量特性

2.1 调节阀工作原理

2.2 调节阀流量方程

2.3 调节阀流量特性分析

2.3.1 调节阀可调比

2.3.2 调节阀固有流量特性

2.3.3 调节阀的工作流量特性

2.4 本章小结

第3章 调节阀内部流场数值模拟

3.1 计算流体力学简介

3.2 调节阀流道模型建立

3.3 网格划分和无关性验证

3.4 CFD求解过程及求解器相关设置

3.4.1 CFD求解过程

3.4.2 计算流体力学控制方程

3.4.3 湍流模型

3.4.4 求解器相关设置

3.5 调节阀内部流场分析

3.6 调节阀数值模拟计算结果

3.7 本章小结

第4章 调节阀试验对比分析及优化

4.1 调节阀流量特性测试

4.2 模拟结果与试验结果对比分析

4.3 调节阀阀芯形面设计

4.3.1 调节阀流通面积和流量系数计算公式

4.3.2 阀芯形面设计方法

4.3.3 阀芯形面设计

4.4 调节阀阀芯优化

4.5 本章小结

第5章 优化后调节阀流致噪声与涡激振动研究

5.1 调节阀流固耦合模态分析

5.1.1 流固耦合模态分析原理

5.1.2 流固耦合模态分析

5.2 流致噪声频率分析

5.3 涡脱落频率分析

5.4 优化后调节阀共振分析结论

5.5 本章小结

结论与展望

1 结论

2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文