高粘度流体截止阀设计及其管道系统动态特性分析

发布时间：2020-11-02 20:29

　　 高粘度液体作为最常用的工业原料之一,在航空航天、化工、润滑和石油等领域的应用越来越广泛;例如高粘度树脂材料注塑零件因为耐腐蚀耐高温、绝缘、质轻和低成本等诸多优点,在多元化的制造业体系中使用率越来越高。然而,在利用真空注型机对高粘度流体进行成型制造过程中,发现市场上现有截止阀的应用效果很差。所以适用于高粘度流体的阀门管道系统逐渐成为学者们的研究热点。本文根据高粘度流体特性设计了一款截止阀,同时对截止阀以及其管路系统的模态特性进行了研究。参考阀门设计手册,对高粘度流体截止阀结构进行初步设计。通过建立三维模型,采用FLUENT软件模拟研究的方式,以过流阻力为判断依据,对截止阀的结构进行优化设计。同时搭建截止阀流量实验台,并通过相对应的实验测试验证了数值模拟分析的正确性。为研究截止阀关闭过程中的流场分布情况,采用动网格技术与外部自定义函数(UDF)程序相配合的方式,来实现对截止阀内流场的动态模拟,得出了多个减小截止阀过流阻力的结论,进一步优化截止阀的结构,提高过流性能,为高粘度流体阀门的设计与选型提供可靠的理论依据。在实际应用过程中,截止阀在迅速关闭时会给阀门管道系统带来类似水锤效应的流固耦合作用,影响阀门管道系统的正常工作。本文吸取众多管道流固耦合模型的优点,建立新的流固耦合数学模型;并以高粘度流体三维弯管为例,将数学模型、有限元模拟和实验测量三种方法进行对比分析,从求解难度和操作灵活性以及成本等多方面因素分析,得出有限元分析法更有利于本课题研究用于高粘度流体的截止阀和管道系统的流固耦合作用过程。在此基础上,采用ANSYS软件模拟分析在阀门迅速关闭的作用下,不同管路结构对阀门管道系统动态特性的影响。通过分析得出:阀门以不同运动方式关闭对系统工作稳定性的影响明显不同,且最有利于系统工作稳定性的关闭方式为正弦加速度;阀门管道系统的支撑位置应该参考系统变形位置来设置,不同支撑方式下系统固有频率和变形的规律不同;改变管路的壁厚对系统固有频率的影响较小,流固耦合效应向减弱趋势发展。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH134
【部分图文】：

西安理工大学工程硕士专业学位论文胜枚举，本节只选取部分进行概括性论述。论研究早期计算机和仪器技术还不够发达的阶段，学者们对于截止阀的设计方法比较论研究为主。当科学进入井喷式发展时期，从理论上研究截止阀的有益成果更全面的发展趋势，包含结构创新与优化、密封性能提升以及超高压和超低温的种类完善等等。97 年，王加新等[2]在研究现有阀门的特点后，提出了一种组合球阀，如图 1-1 所具有流体阻力小、流动方向不受限制和开关快速的优点，而且还具有闸阀开关止阀密封性能好的优点。随着经济技术的迭代发展，市场对截止阀的要求也有如阀门具备一阀多用的功能。2006 年，程艳等[3]提出一种节流/截止阀，可以流阀的缺点，如易损坏和截流失效等，还可将手动执行装置改为机械的自动执行远程操作。该设计很好地满足了市场多元化的需求，也是行业的发展趋势，场需求不断倒逼行业创新的发展新模式。

西安理工大学工程硕士专业学位论文胜枚举，本节只选取部分进行概括性论述。论研究早期计算机和仪器技术还不够发达的阶段，学者们对于截止阀的设计方法比较论研究为主。当科学进入井喷式发展时期，从理论上研究截止阀的有益成果更全面的发展趋势，包含结构创新与优化、密封性能提升以及超高压和超低温的种类完善等等。97 年，王加新等[2]在研究现有阀门的特点后，提出了一种组合球阀，如图 1-1 所具有流体阻力小、流动方向不受限制和开关快速的优点，而且还具有闸阀开关止阀密封性能好的优点。随着经济技术的迭代发展，市场对截止阀的要求也有如阀门具备一阀多用的功能。2006 年，程艳等[3]提出一种节流/截止阀，可以流阀的缺点，如易损坏和截流失效等，还可将手动执行装置改为机械的自动执行远程操作。该设计很好地满足了市场多元化的需求，也是行业的发展趋势，场需求不断倒逼行业创新的发展新模式。

路兰卿等[13]再次对截止阀结构进行了优化设计，如图1-3 所示。其创新点在于采用了真空夹层结构，在阀杆的密封处选用了波纹管，将阀座和阀体设计为一体式，简化结构同时避免泄露，提高截止阀寿命。同时，将阀盖设计模块化，使局部组件可以从阀体中整体取出，方便了装配以及阀内组件的快速检修和维护。2010 年，上海船舶设备研究所闫念华等[14]针对某船用高压截止阀泄露问题进行研究，提出了一种新的截止阀用平面软密封技术，如图 1-4 所示。并在 40MPa 高压空气截止阀上进行试验，证明了这种技术的可靠性和准确性。截止阀实际使用是检验截止阀设计和制造是否可靠的必经环节，该环节暴露出来的缺陷和问题反过来也是截止阀优化再设计目标的来源。例如截止阀中性点的设置问题，当中性点设置太高会造成内漏，中性点太低会造成截止阀开启不完全。文献[15，16]以不同型号的截止阀为例，通过分析故障原因和中性点作用机理，分别得出中性点位置调整的方法，为阀门的优化设计和维修保养提供理论依据。
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本文编号：2867535