高参数多级减压阀可压缩湍流特征及气动噪声研究

发布时间：2020-09-18 19:34

　　高参数减压阀作为热电联产及供热供汽等重大节能工程的关键配套部件,被称为是工业系统的“咽喉”。随着国家重大工程的建设与发展,高温、高压差和高流速等复杂工况不断涌现,高参数减压阀内流状态将变得十分复杂,涡旋拟序结构在节流元件附近位置聚集,导致附近流域的流动不稳定,进而诱发气动噪声,危害操作人员健康及设备正常运行。传统国产高参数减压阀已难以满足复杂工况要求,只能依赖进口,受制于国外。一旦出现像中兴“断芯”事件,我国能源系统重大工程将面临全面瘫痪的危险,对国家安全、社会稳定和经济发展构成重大威胁。因此,开展高参数减压阀的自主研发、内流及气动噪声分析已迫在眉睫。本文在浙江省重大科技专项“极端工况下高效节能减温减压技术及装置的研制与应用”(2012C11018-1)、浙江省自然科学基金重点项目“复杂工况减温减压系统噪音发生机理和降噪技术研究”(LZ17E050002)及浙江省重点创新团队“流程工业高效节能与绿色装备”(2011R50005)的支持下,提出一种高参数多级减压阀,并通过理论研究、数值模拟与试验验证相结合的方法,对其可压缩湍流特征及气动噪声进行分析。主要研究内容和成果有:首先,开展适用于复杂工况的高参数多级减压阀结构设计,并分析其多级减压节流原理;对所设计高参数多级减压阀内可压缩湍流进行数值模拟,分析其可压缩流场特征;进行可压缩流动试验,分析其流量特性,进而验证数值方法准确性;进行可压缩流动参数化研究,考察不同结构参数对可压缩湍流流场的影响。结果表明:所设计结构可较好控制蒸汽的绝热压缩过程,实现多级减压;蒸汽压力、速度、温度和能耗均在多级套筒、多孔阀芯和多孔板等节流元件处发生突变;高参数多级减压阀的流量特性为直线流量特性,试验证明所采用可压缩湍流数值模拟方法精确性较高;结构参数对亚声速覆盖区域、噪声控制性能、湍流耗散性能及?损失分布均有较大影响。其次,采用声源独立法分别分析高参数多级减压阀的四极子源和偶极子源气动噪声特性;比较分析两种声源贡献量,判定主导声源;开展开度对气动噪声特性的影响研究。结果表明:随着频率逐渐增加,四极子源各场点网格最大声压、各监测点声压、声强、声功率级及噪声分布范围均先减小后增大,而偶极子源各声学参量则逐渐减小;高参数多级减压阀气动噪声呈现出以中频和高频为主导的连续宽频特性;同一频率点下,四极子源的最大声压大于偶极子源,四极子源为高参数多级减压阀气动噪声主导声源;随着高参数多级减压阀开度的逐渐增加,四极子源和偶极子源的最大声压、监测点声压、最大声强、噪声分布区域均逐渐增加,但偶极子源所致声压的增长幅度要高于四极子源。再之,利用大涡数值模拟研究高参数多级减压阀的瞬时湍动特征;可视化高参数多级减压阀内涡量分布情况;利用拟序结构识别法Q准则,有效捕捉高参数多级减压阀流场内部涡团结构及其演变规律;分析涡旋运动与声压关系,探究涡旋发声机理。结果表明:随着时间推进,多级套筒、多孔阀芯和多孔板处的减压梯度及速度梯度均逐渐增大,对称面最大亚格子湍流耗散率逐渐增大;初始时刻,涡旋呈现径向周期性摆动,随着时间递进,表现出强烈三维特性;随着流动发展,轴向、周向和径向的蒸汽涡旋相互碰撞并耗散;高参数多级减压阀内的拟序结构主要聚集在多级套筒、多孔阀芯和多孔节流孔板等节流元件附近位置,导致附近流域的流动不稳定;随着时间推进,拟序结构由节流元件处逐渐向整个流动领域扩展,且内流涡环沿轴向增长;节流元件处可见明显涡辫区,其中涡环由肋状涡连接;高参数多级减压阀内气动噪声的最大声压与最大瞬时总涡量呈现线性相关特性。最后,采用声源控制的主动降噪技术,改变多孔节流孔板结构参数从而优化涡旋分布完成降噪;建立不同多孔节流孔板级数、厚度、孔径和圆弧倒角的数值模型;分析结构参数对高参数多级减压阀气动噪声特性的影响;建立多孔节流孔板结构参数与最大声压的数学模型。结果表明:随着多孔节流孔板级数和圆弧倒角的增加,最大声压、最大声强、气动噪声影响区域及噪声辐射范围均逐渐变小;而多孔节流孔板厚度和孔径的增加,则导致噪声辐射更为剧烈;在现有高参数多级减压阀多孔节流孔板结构参数下,对于所建立最大声压与频率点的数学模型,数据点基本都落在拟合曲线误差±10%区间内;高参数多级减压阀多孔节流孔板结构参数与最大声压的数学关系式可为工程实际气动噪声研究提供理论参考。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH134
【部分图文】：

示意图,输送过程,过热蒸汽,示意图

热电联产、供热供汽及超临界火电等国家重大工程的建设。高程的关键配套部件，是调节流体介质流量与压力等工艺参数，运行的关键控制元件[1]，被称为是工业系统的“咽喉”。随着展，高温、高压差和高流速等复杂工况不断涌现，高参数减压杂，涡旋拟序结构在节流元件附近位置聚集，导致附近流域的流噪声，危害操作人员健康及设备正常运行。图 1.1 所示为高温。传统国产高参数减压阀已难以满足复杂工况要求，只能依赖重大重点工程中，高参数减压阀几乎被国外产品垄断，如美国neilan 公司、德国 SCHUF、ARCA 公司、瑞典 BTG 公司等，格封锁的策略。一旦出现像中兴“断芯”事件，我国能源系统的危险，对国家安全、社会稳定和经济发展构成重大威胁。因自主研发、内流及气动噪声分析已迫在眉睫。

示意图,减温减压装置,示意图,可压缩湍流

针对复杂工况，开展高参数多级减压阀结构设计，分析其可压缩湍流特征性、涡旋发声机理和主动降噪技术，对推动我国减温减压技术与装置的科国外技术封锁和产品垄断有着重要的科学意义和工程价值。阀可压缩湍流研究进展工况下，高参数减压阀内流状态十分复杂，特别是在节流元件处，流动状湍流变化更为剧烈。且流动研究是后续气动噪声研究的基础，因此，综述阀可压缩湍流领域的研究现状。阀结构形式及分类减压装置[4]是热力系统中热能参数转变和余热利用的关键设备。减温减压压系统、减温系统、执行机构和热力调节仪表组成，如图 1 所示。减压阀置中的核心控制元件，其功能是对热力系统中产生的高温高压过热蒸汽进工作原理为利用内部流道截面积的改变以控制热力过程，从而降低流体压

阀体结构,减压阀

绪论，分类方法众多。工程中应用较多的是按结构形式结构和阀芯结构两种。按阀体结构形式可将减压阀图 1.3 所示。图 1.3（a）所示为直通式减压阀，其阀动方向不变。图 1.3（b）所示为角式减压阀，介质90o。两种减压阀均可带有多级减压附加固定节流装置

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