先导式调节阀流动及流激振动数值模拟研究

摘要

本文是在国家自然科学基金项目（编号：51569012）的资助下完成的。随着第三代先进压水堆核电、1000万吨/年炼油、1000MW超超临界火电等国家重大工程的实施，调节阀作为流程中重要的控制元件，被提出了高性能和高可靠性的要求。先导式调节阀相比传统调节阀具有启闭力矩小、密封性能好、结构紧凑等优点，特别适合高温高压大口径场合，广泛应用于现代自动控制工业中。但是在实际生产应用中，先导式调节阀在启闭及调节过程，出现了阀芯组件振动，阀后压力和流量失调等问题，严重影响整个阀控系统的正常运行。本文针对以上问题，基于计算流体力学（CFD）方法开展了以下研究工作： (1)基于多级降压技术和可压缩介质流动方程，设计了先导式调节阀阀芯组件结构。基于经典弯管湍流模型，研究流域离散方法及雷诺数对湍流壁面摩擦系数和剖面速度分布影响规律，得到能够精确计算调节阀湍流内流场的数值仿真方法，为先导式调节阀湍流流场准确计算及流激振动奠定基础。 (2)基于正交优化设计方法，建立了不同结构参数阀芯组件数值仿真模型，运用ANSYS CFX软件计算调节阀稳态流场，采用CEL语言监测阀芯面受力，分析调节阀结构参数对阀芯组件受力的影响规律，进行先导式调节阀结构参数的优化设计。 (3)基于CFD方法，计算优化后先导式调节阀瞬态流场，得到了阀内不同位置压力脉动特性，通过压力脉动频域分析法，研究了调节阀开度对流域内不同点压力脉动的影响，得到了先导式调节阀在一定频率范围内的压力脉动幅值，为后续阀芯组件振动分析提供基础。 (4)建立了调节阀阀芯振动力学模型，基于流固耦合模态分析方法和结构共振分析方法，研究了预应力以及调节阀开度对阀芯组件模态频率的影响规律，得到调节阀最佳工作状态，为调节阀防共振设计提供依据。 通过上述研究为先导式调节阀结构设计提供参考，探究了先导式调节阀内瞬态流场及结构对模态影响规律，对先导式调节阀阀芯组件振动抑制设计具有指导意义。

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附表索引

主要符号说明

第1章 绪 论

1.1 本文研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 先导式调节阀及流激振动研究现状

1.2.1 先导式调节阀国内外研究现状

1.2.2 调节阀阀芯设计方法研究现状

1.2.3 调节阀流激振动研究现状

1.3 本文研究主要内容

1.4 本章小结

第2章 先导式调节阀设计及湍流边界层数值仿真研究

2.1 引言

2.2 先导式调节阀结构及工作原理

2.3 先导式调节阀设计

2.3.1 多级降压套筒设计

2.3.2 阀芯几何结构参数设计

2.4 CFD数值模拟计算理论基础

2.4.1 流体力学控制方程

2.4.2 湍流模型理论

2.5 湍流边界层数值仿真分析

2.5.1 湍流边界层计算理论基础

2.5.2 仿真模型建立及边界条件确定

2.6 边界层网格对湍流流动仿真结果影响分析

2.6.1流域离散方法

2.6.2 计算结果对比分析

2.7 不同雷诺数下湍流流动分析

2.8 本章小结

第3章 先导式调节阀结构参数对阀芯受力影响研究

3.1 引言

3.2 先导式调节阀阀芯受力主要影响参数分析

3.2.1 质量流量方程及气体状态方程

3.2.2 阀芯运动平衡方程

3.2.3 先导式调节阀系统动力学方程组

3.3 数值仿真模型建立及边界条件确定

3.3.1 数值仿真模型建立

3.3.2 网格划分及无关性验证

3.3.3 流场计算边界条件

3.4 阀芯组件结构参数优化设计

3.4.1 阀芯组件结构参数正交实验设计

3.4.2 阀芯结构参数正交实验计算结果

3.4.3 阀芯结构参数正交实验极差分析

3.5 先导阀腔稳态流场分析

3.5.1 压力场分析

3.5.2 速度场分析

3.6 本章小结

第4章 先导式调节阀瞬态流场分析研究

4.1 引言

4.2 瞬态流场计算前处理

4.2.1 模型建立及网格划分

4.2.2 数值算法及边界条件

4.3 瞬态流场仿真计算结果分析

4.3.1 不同开度压力场分析

4.3.2 不同开度速度场分析

4.4 阀内压力脉动特性分析

4.4.1 流域内压力脉动时域分析

4.4.2 流域内压力脉动频域分析

4.5 本章小结

第5章 先导式调节阀流激振动分析研究

5.1 引言

5.2 流固耦合模态分析理论基础

5.3 阀芯组件流固耦合模态分析模型建立

5.3.1 阀芯组件多自由度振动系统力学模型建立

5.3.2 阀芯组件流固耦合模态分析简化模型建立

5.4 阀芯组件流固耦合模态分析

5.4.1 流固耦合静力学分析

5.4.2 预应力模态及自由约束模态对比分析

5.4.3 不同开度阀芯组件模态对比分析

5.5 阀芯组件流激振动分析

5.6 本章小结

总结与展望

1. 研究内容总结

2. 研究展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文、专利