动态流量平衡阀优化研究及动态特性分析

摘要

随着国家对“智慧城市”概念的提出，基于信息技术与自动化，运营商正寻求通过智能解决方案来应对人口增长、资源浪费的挑战。动态流量平衡阀作为一种自力式控制类阀门，在暖通空调、楼宇自动化中心等领域的应用越来越普及，而国内产品大多以仿制为主，研究手段相对落后，长期依赖进口。在动态流量平衡阀理论研究方面，传统的物理样机试验、开孔型线的理论计算公式已经不能满足高流量控制精度的要求，同时，在高压差小开孔时，振动问题突出，严重影响了设备的实用性。针对上述问题，本文以我校与浙江盾安阀门有限公司合作研发的动态流量平衡阀为主体研究对象，开展了以下理论研究:　　(1)详细介绍了动态流量平衡阀的结构元件，描述了动态流量平衡阀保持出口流量恒定的工作原理。着重推导了动态流量平衡阀阀芯侧面可变开孔型线的理论计算公式，并通过改进得到了考虑缝隙流量因素的改进公式。　　(2)利用CFD商业软件Fluent对动态流量平衡阀的流场模型进行静、动态可视化研究，仿真模拟得出了动态流量平衡阀内部流场的各项信息。通过静态仿真模拟得到了不同工况下内部流场的压力、速度场图，采用准动态方法，着重研究了不平衡力对流量控制精度的影响，同时探讨了阀芯与阀芯壳体间隙流量的规律性;通过动态仿真模拟得到了不同时间下的流场信息，着重研究了双级降压阀芯优化结构对于压力、速度波动情况的影响。　　(3)探究了动态流量平衡阀振动的机理，利用ANSYS Workbench软件对动态流量平衡阀流固耦合模型进行模态分析，结合理论研究及仿真模拟提出了减缓振动的优化方案，探讨了不同优化方案对阀芯组件固有频率及最大振型位移量的影响。　　(4)搭建了高精度试验台，对动态流量平衡阀的初步样机进行试验，并提出了一系列的修正方案，研究了不同修正方案对流量控制精度的影响，验证数值模拟的可靠性及修正方法的可行性。　　通过以上对动态流量平衡阀分析及优化研究，流量的控制精度已经达到±5％，稳定性得到提高，验证了仿真模拟的准确性，为高精度且工作性能优异的动态流量平衡阀系列产品的设计提供参考依据。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 动态流量平衡阀的类型及特点

1．2．1 按阀瓣形状分

1．2．2 按行程分

1．2．3 按运动阀芯分

1．3 动态流量平衡阀国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 主要研究内容

1．4．1 动态流量平衡阀的理论设计

1．4．2 动态流量平衡阀静动态流场研究

1．4．3 动态流量平衡阀振动特性分析

1．4．4 动态流量平衡阀试验及优化设计

1．5 本章小节

第2章 动态流量平衡阀理论设计研究

2．1 引言

2．2 动态流量平衡阀结构特征及工作原理

2．2．1 动态流量平衡阀结构特征

2．2．2 动态流量平衡阀工作原理

2．3 动态流量平衡阀设计

2．3．1 动态流量平衡阀阀芯开孔理论计算

2．3．2 动态流量平衡阀其他部件结构设计

2．4 本章小结

第3章 动态流量平衡阀内部流场分析研究

3．1 引言

3．2 动态流量平衡阀数学模型的建立

3．2．1 数学模型的建立

3．3 动态流量平衡阀流场实体模型的建立与计算网格划分

3．3．1 流场实体建模

3．3．2 计算模型网格划分

3．3．3 网格无关性检验

3．4 动态流量平衡阀静态内部流场仿真实验结果分析

3．4．1 边界条件及参数设定

3．4．2 不同位移下压力场分析

3．4．3 不同位移下速度场分析

3．4．4 准动态不平衡力分析

3．4．5 不同阀芯与阀芯壳体间隙流量特性分析

3．5 动态流量平衡阀流场模型动态数值仿真结果分析

3．5．1 动网格技术及UDF

3．5．2 流场模型设置

3．5．3 动态流量平衡阀结构优化模型对比分析

3．6 本章小结

第4章 动态流量平衡阀稳定性分析

4．1 引言

4．2 动态流量平衡阀振动理论研究

4．2．1 动态流量平衡阀小振动理论分析

4．2．2 动态流量平衡阀模态理论分析

4．2．3 预测-多步校正计算方法

4．3 动态流量平衡阀阀芯组件振动特性分析

4．3．1 阀芯组件流固耦合模型建立

4．3．2 网格划分

4．3．3 考虑流固耦合和弹簧力的预应力模态计算及分析

4．4 动态流量平衡阀振动解决方案

4．4．1 阀芯径向尺寸变大对振动的影响

4．4．2 提高弹簧刚度对振动的影响

4．4．3 其他结构对于振动的影响

4．5 本章小结

第5章 动态流量平衡阀试验研究与优化

5．1 引言

5．2 试验目的与流程设计

5．2．1 试验目的

5．2．2 流程设计

5．3 动态流量平衡阀修正优化过程

5．3．1 动态流量平衡阀初步设计

5．3．2 动态流量平衡阀修正优化

5．4 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

附录B 阀芯运动程序

附录C 压力入口程序