超(超)临界蒸汽疏水阀空化与热流固耦合研究

摘要

阀门作为超（超）临界火电机组的关键配套产品，是保证机组安全、经济运行的重要设备之一。我国常规火电90％高端阀门长期依赖进口，而传统的物理样机试验、静态经验公式计算设计等方法根本不能满足高参数阀门的设计要求。随着计算机辅助设计技术及计算机性能的迅速发展，用数值模拟来解决高温高压差类阀门的主要问题成为可能。运用数值模拟的方法可对实验难以测量的参数及静态计算与实验未考虑的问题进行预测，不需要大量的实验，能显著降低阀门的生产成本、缩短开发周期、优化阀门结构性能。
　　 超（超）临界蒸汽疏水阀作为长期进口高端阀门之一，难以实现国产化的最主要问题在于:需要深入研究疏水阀的内部空化流动特性;对防空化元件进行深入研究，有效抑制空化的发生;解决阀体材料的选择与强度问题。本文针对该问题进行了以下研究，为其它高温高压差类阀门的设计提供参考。
　　 1)对超（超）临界疏水阀数值模拟理论进行研究，建立三维模型，对阀内流动进行空化流数值模拟，着重研究阀内空化流动特性，获取阀内压力、速度和液，汽体积分布等物理量的分布图，预测空化的发生。模拟研究不同开度、压力入口、压力出口、密封面角度对空化发生的程度、区域及范围的影响。
　　 2)从理论上对多级降压套筒的级数、开孔面积、级间间隙、厚度进行研究，并采用理论计算与数值模拟相结合的方法对控制多级节流过程的阀内多级套筒防空化节流元件各参数如孔径大小、级间间隙、开孔的类型、级间导流槽结构等因素对阀内流场的影响，尤其是对空化流动的影响进行深入研究。
　　 3)建立疏水阀主要过流承压部件与流体介质耦合的几何模型，利用ANYSYWorkbench平台进行热流固耦合数值分析。着重研究工作状态下疏水阀主要部件的温度场、热应力及变形情况，并研究关闭状态疏水阀的强度问题。

目录

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摘要

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附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 蒸汽疏水阀简介

1．3 蒸汽疏水阀现状与存在的问题

1．4 闪蒸与空化及其危害

1．4．1 闪蒸与空化

1．4．2 闪蒸和气蚀造成的危害

1．5 研究现状

1．5．1 疏水阀空化模拟的研究现状

1．5．2 阀内防空化的研究现状

1．5．3 多场耦合的研究现状

1．6 本文研究的主要内容

第2章 超(超)临界高温高压蒸汽疏水阀内空化研究

2．1 数值模拟理论基础

2．1．1 湍流方程

2．1．2 通用多相流模型

2．1．3 空化模型

2．3 几何建模及网格划分

2．4 计算策略及步骤

2．5 数值模拟结果分析

2．5．1 典型数值模拟结果分析

2．5．2 不同开度下阀内空化研究

2．5．3 不同进口压力下阀内空化研究

2．5．4 不同出口压力下阀内空化研究

2．5．5 不同密封面角度下阀内空化研究

2．6 本章小结

第3章 超(超)临界高温高压蒸汽疏水阀防空化研究

3．1 多级节流降压

3．2 套筒参数理论计算

3．2．1 套筒级数计算

3．2．2 套筒开孔总面积计算

3．2．3 套筒级间隙计算

3．2．4 套筒厚度计算

3．3 理论计算结果

3．3．1 级数计算结果

3．3．2 其他参数计算结果

3．4 数值模拟研究

3．5 套筒主要参数对阀内空化的影响分析

3．5．1 孔径的影响分析

3．5．2 级间间隙的影响分析

3．5．3 开孔类型的影响分析

3．5．4 导流槽的影响分析

3．6 本章小结

第4章 超(超)临界蒸汽疏水阀热流固耦合数值模拟

4．1 多场耦合分析简介

4．1．1 顺序耦合法

4．1．2 直接耦合法

4．2 流固耦合有限元方程

4．3 温度场分析

4．3．1 热传导微分方程和边界条件

4．3．2 热对流微分方程

4．4 热流固耦合模型与载荷分析

4．4．1 耦合模型

4．4．2 载荷分析

4．5 全开时阀的流场数值模拟

4．5．1 网格划分

4．5．2 前处理

4．5．3 流场模拟结果

4．6 全开时阀的结构温度场分析

4．6．1 网格划分及边界条件设定

4．6．2 温度场模拟结果

4．7 全开时阀的热流固耦合应力分析

4．8 关闭时阀的应力分析

4．9 阀门应力评定

4．10 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文