先导薄膜式蒸汽减压阀动态特性仿真优化与消声研究

摘要

先导薄膜式蒸汽减压阀作为一种利用蒸汽自身能量来调控管系压力的自力式阀门，其性能好坏是决定整个蒸汽系统能否安全、稳定运行的关键。由于其结构复杂、工况恶劣多变且调节精度要求高，一般的静态理论计算、传统样机试验、经验优化设计等方法根本无法满足用户对减压阀工作稳定、响应迅速的运行要求。同时随着工业生产呈现大容量、高参数、高效低耗的趋势发展，蒸汽减压阀内流动诱导振动、噪声问题凸显，严重干扰设备的稳定运行，且对操作人员的身心健康构成较大威胁。针对以上问题，本文以我校与某公司合作研发的先导薄膜式蒸汽减压阀系列产品中DN50、PN25规格为主体研究对象，开展以下一系列研究:
　　(1)采用流场数值模拟方法对蒸汽减压阀不同节流阀口缩流系数和阻塞流临界压力比进行分析计算以作为数学建模依据;建立了先导薄膜式蒸汽减压阀从气源到负载完整的动态模型，其中考虑了实际工况下真实气体效应及蒸汽节流减压中的焦耳—汤姆逊效应，为随后建立Matlab/Simulink系统动态仿真模型图奠定理论基础;
　　(2)在压力及流量特性分析的基础上验证了结构参数影响方案的可行性;对调节弹簧刚度、导阀阻尼系数、主导阀膜片面积、主阀低压腔容积和主阀载荷强容积等关键参数对减压阀动态性能的影响进行仿真对比研究;利用目标函数、优化算法对先导薄膜式蒸汽减压阀的主要结构参数进行优化研究，使先导薄膜式蒸汽减压阀动态性能得到了很大提升;
　　(3)通过计算流体力学(CFD)模拟蒸汽减压阀内三维湍流非定常压力脉动特性，基于时均化流场计算和大涡模拟两种方法，寻求阀门内部流动诱导振动和噪声的流场诱因;利用有限元分析软件ANSYS对蒸汽减压阀阀体进行结构模态分析，应用声学软件对减压阀腔体、进出口管道构成的声腔结构进行声学模态分析，得到减压阀可能出现声共振的频率范围及振型;
　　(4)通过流体、固体结构及声场的声振耦合方法对蒸汽减压阀内部声场进行求解，在分析声场模拟结果的基础上探讨气动噪声在阀体外的辐射规律;通过改进主阀阀芯、阀座结构等来对比分析对气动噪声的影响规律，为先导薄膜式蒸汽减压阀的设计及消声减振问题的解决提供了一种新的思路。
　　通过以上问题的研究，为后续设计运行稳定、抗干扰能力强的低噪声先导薄膜式蒸汽减压阀系列化产品提供了参考。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 蒸汽减压阀分类及工作原理

1．2．1 自力式蒸汽减压阀

1．2．2 气动式蒸汽减压阀

1．3 国内外相关技术研究现状及存在问题

1．3．1 动态特性仿真优化研究进展

1．3．2 蒸汽减压阀内部流动诱导噪声机理

1．3．3 蒸汽减压阀消声减振问题研究进展

1．4 本文研究的主要内容

1．5 本章小结

第2章 先导薄膜式蒸汽减压阀动态特性数学模型的建立

2．1 数学微分方程建立的理论基础

2．1．1 气体状态方程

2．1．2 各腔体温度—压力微分方程

2．1．3 节流阀口质量流量方程

2．2 阀口缩流系数及临界压力比的确定

2．2．1 减压阀阀口缩流系数

2．2．2 临界压力比

2．3 蒸汽减压阀动态特性数学模型的建立

2．3．1 各个腔体间蒸汽流动的质量流量方程建立

2．3．2 主导阀机械运动微分方程建立

2．3．3 各腔内温度—压力微分方程建立

2．4 本章小结

第3章 先导薄膜式蒸汽减压阀动态特性仿真及优化

3．1 Matlab／Simulink动态特性系统仿真图的建立

3．1．1 基于不同微分方程仿真模型的建立

3．1．2 求解器的设定

3．2 先导薄膜式蒸汽减压阀动态特性仿真研究

3．2．1 压力特性研究

3．2．2 流量特性研究

3．2．3 结构参数对系统动态特性影响分析

3．3 先导薄膜式蒸汽减压阀动态特性优化研究

3．3．1 最优化算法基本思想

3．3．2 目标函数的创建及适应度函数的设计

3．3．3 优化参数可行域的选取及优化算法各参数的设定

3．3．4 优化前后对比

3．3．5 不同遗传算法参数设定的影响

3．4 本章小结

第4章 先导薄膜式蒸汽减压阀流场及模态分析

4．1 蒸汽减压阀内部声场求解及声振耦合数值模拟具体流程

4．2 先导薄膜式蒸汽减压阀非定常流场特性研究

4．3 蒸汽减压阀结构模态分析

4．4 蒸汽减压阀阀腔及管系声学模态分析

4．5 本章小结

第5章 蒸汽减压阀气动噪声数值预测及消声研究

5．1 先导薄膜式蒸汽减压阀声场数值求解

5．2 先导薄膜式蒸汽减压阀声场特性分析

5．2．1 辐射声场特性分析

5．2．2 理论预测与数值模拟对比分析

5．2．3 阀体外辐射噪声的指向性分析

5．3 先导薄膜式蒸汽减压阀主阀芯结构改进

5．3．1 不同阀芯、阀座结构对辐射噪声的影响规律

5．3．2 不同阀芯、阀座结构对蒸汽减压阀流通能力的影响规律

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 各腔压力S函数模块程序