基于流固耦合的安全阀动态不稳定性研究

发布时间：2017-12-05 10:21

本文关键词：基于流固耦合的安全阀动态不稳定性研究

【摘要】：安全阀作为压力系统超压保护的最后一道安全屏障,其寿命和可靠性常常受到颤振和频跳等动态不稳定性的威胁。国内外针对这种动态不稳定的研究长期受困于实验、数学建模和仿真三类研究方法各自的桎梏,对其成因的解释缺乏说服力,解决方法普适性不足。对此,本文针对安全阀系统时间多尺度和空间多尺度的建模难点,提出对压力容器进行数学建模、对管道和安全阀进行二维CFD建模,通过基于流固耦合(FSI)的数学模型构建的用户自定义函数(UDF)相耦合的解决思路,建立了完整的安全阀系统模型。同时为了解决CFD模拟中二维模型失真和瞬态模拟动网格易损坏的难题,使用了等效出口面积法和Fluent Dynamic Layering技术。基于完整的安全阀系统模型,本文对系统三大组成部分,即压力容器、连接管道、安全阀本体,可能影响安全阀动态不稳定性的参数进行探索,具体包括：容器升压速率和容积、连接管道长度、安全阀调节圈高度、阀杆摩擦力。其中,通过采用超短时间步捕捉到的管道压力波传播结果解释了安全阀颤振和频跳的主要原因,评估了两种不稳定性决定理论的准确性。研究发现：1)压力容器在其容器容积较大或升压速率较小时,既不影响安全阀动态特性,也不影响其特征压力。当容积过小或升压速率过高时,系统来不及吸收振动能量便受到新扰动的激励,会小幅增加安全阀的动态不稳定性；2)调节圈高度会决定安仝阀帘面积的位置,通过拉瓦尔喷管效应可合理解释帘面积附近的流场压力分布,进而判断阀盘升力大小。总的影响趋势是,安全阀调节圈越高,阀盘升力越大,这会导致安全阀启闭压差变大,但能略微减小安全阀的动态不稳定性；3)阀杆摩擦力在降低安全阀动态不稳定性上效果显著,但降低其灵敏性。并且由于其自身具有不确定性,会增加安全阀性能的不确定性。因此将阀杆摩擦力控制在合适范围可获得较好的安全阀性能；4)管路压损在阀盘开度较大时会降低喷嘴处的介质总压,增大频跳和颤振的倾向,但频跳的阈值比3%整定压力大得多,因此现有的压力损失理论并不准确；5)压力波在安全阀运动时真实存在,其传递和反射符合压力波动理论的描述。在压损不是很大时,压力波和阀盘产生共振是安全阀启闭过程中频跳和颤振的主要原因,即压力波动理论描述的效应占据主导。因此可避免共振的管道长度是周期性波动的。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH134

【参考文献】

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