高压差迷宫式调节阀流动及流固耦合特性仿真研究

发布时间：2017-06-24 07:07

  本文关键词：高压差迷宫式调节阀流动及流固耦合特性仿真研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：调节阀是一种非常通用的设备,广泛地应用于工业自动化过程控制领域,例如:航空航天事业、石油电力、国防建设、管道运输等多个方面。其主要用途是通过改变阀门的阀杆的行程,来调节控制液体介质的压力、流量、温度等工艺参数的变化。近年来,随着现代工业生产的规模化、自动化及信息化的快速发展,对调节阀提出了以高温、高压差、低噪声及抗空化为主的一系列苛刻要求,与此同时,对氋压差调节阀的要求不再局限于调控的安全和可靠,在其节能性、准确性以及灵敏度等方面的要求也越来越氋。迷宫阀作为降压能力较强的多级降压式调节阀,因为其较强的降压能力、较低的噪声及合理的安全性及寿命,在电力、石油及化工领域应用越来越多。但是国内对迷宫阀的研究起步较晚,虽然国内许多的厂商也能够生产各系列的高压差的迷宫阀,却绝大多数都是引进或者仿制国外产品结构,对迷宫阀缺少必要的理论研究与水力实验,不仅导致多数高压差迷宫阀产品的调节性能、精度及安全不能满足高要求,而且还制约了迷宫阀产品继续研发和优化的能力,非常不利于国内高压差调节阀的发展。因此,本文从水力及流固耦合的角度对高压差迷宫式调节阀阀内介质的流动特性和流固耦合特性进行分析和研究,为高压差迷宫式调节阀选型、继续研发及优化提供一定的理论指导和试验数据。本文研究内容如下:①简述工业控制领域的快速发展及对调节阀的新要求,较为系统简绍了调节阀的发展历史、现状与发展方向,同时本文重点介绍了高压差迷宫式调节阀的起源、发展及结构特点,国内外在其流体、结构及流固耦合领域的研究现状,为较为系统的了解和掌握高压差迷宫式调节阀的原理和研究方向的确定奠定基础。②为采用有限元方法实现对高压差迷宫式调节阀的结构、内部介质的流动及流固耦合的仿真分析,本文较为详细的介绍了计算流体力学的控制方程、湍流模型、计算区域的离散与求解控制原理及注意事项,同时对阀门结构的强度校核的理论、流固耦合分析的类型及计算方式也做了介绍,为高压差迷宫式调节阀的强度校核、流动特性及流固耦合特性的研究提供了理论支撑。③高压差迷宫式调节阀的三维几何模型建立,计算中的几何模型与真实模型的趋近程度,对以几何模型为基础,仿真模拟现实的逼真程度有着重要的影响。为更加逼真的仿真模拟现实,并且更加容易的根据仿真结果对阀门的结构进行优化,采用三维建模软件建立参数化的阀门几何模型,并根据阀门的几何模型反向切除生成阀门的流体域的几何模型。④高压差迷宫式调节阀应力分析计算及强度校核,针对高压差迷宫式调节阀介质压力高、应力条件复杂而使用工况对阀门安全性要求较高、拟采用分析设计方法的原则,并用有限单元法计算阀门结构内部任意一点的应力、应变与位移,从而完成阀门强度更为科学和安全的校核,为阀门结构的优化提高参考,提高阀门的安全性。⑤高压差迷宫式调节阀内部介质流动特性研究,高压差迷宫式调节阀内部介质的流动特性的研究主要包括两方面的内容:a.迷宫式流道介质流动特性的研究,拟采用计算流体力学和实验相结合的方式,研究迷宫式流道的降压级数、弯道形式、轴向及径向宽度、流道深度等结构参数对流动特性,特别是流阻影响规律,并分析了内在的原因。b.整个阀门内部介质流动特性的研究,采用了计算流体力学和实验相结合的方式,以常温下的水为其内部流动的介质,在迷宫式流道形式和结构确定的情况下,研究不同压差时,内部介质的速度、压力、温度的大小及分布和迷宫式流道的数量及分布对阀门流量系数及流量特性的影响及数学关系。⑥高压差迷宫式调节阀流固耦合特性研究,高压差迷宫式调节阀的一般使用在压力、压差都较大的工况下,而且迷宫式流道的结构尺寸又比较的小,如果对其流量系数及调节精度较高时,高压力对迷宫式流道的结构参数的影响较大,进而对调节阀的流量系数及调节精度的影响不能忽略。本文考虑了流体和固体间的双向耦合,采用了计算流体力学及计算固体力学的结合的方式,研究其流固耦合特性,为实现高压差迷宫式调节阀的精确调节提供仿真实验数据,同时有利于实现更为精确的结构分析,提高了高压差迷宫式阀门的安全性能。
【关键词】：高压差 迷宫阀 应力校核 流动特性 流固耦合
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH134
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 课题背景及研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 调节阀的发展与现状11-12
• 1.2.2 迷宫阀结构与工作原理12-13
• 1.2.3 迷宫阀流动特性研究现状13-14
• 1.2.4 迷宫阀结构分析研究现状14
• 1.2.5 迷宫阀流固耦合特性研究现状14-15
• 1.3 本文研究目标与内容15-17
• 1.3.1 研究目标15
• 1.3.2 研究内容15-16
• 1.3.3 技术路线16-17
• 1.4 本章小结17-18
• 2 高压差迷宫式调节阀流动特性研究的理论基础18-30
• 2.1 流动计算的数学模型18-23
• 2.1.1 控制方程18-20
• 2.1.2 湍流模型20-23
• 2.1.3 计算区域的离散与求解23
• 2.2 应力有限元分析的数学模型23-27
• 2.2.1 压力容器应力分析理论23-24
• 2.2.2 弹性力学的基本方程24-27
• 2.2.3 有限单元法27
• 2.3 流固耦合计算的原理及方法27-28
• 2.4 本章小结28-30
• 3 高压差迷宫式调节阀结构的有限元分析30-44
• 3.1 迷宫式调节阀结构及三维模型30-32
• 3.2 迷宫式调节阀温度场有限元计算32-34
• 3.2.1 温度场计算原理及方法32-33
• 3.2.2 迷宫阀温度场的有限元分析33-34
• 3.3 迷宫式调节阀应力的有限元分析34-42
• 3.3.1 迷宫阀应力计算方法35
• 3.3.2 应力计算结果与分析35-42
• 3.4 本章小结42-44
• 4 高压差迷宫式调节阀流动特性仿真研究44-64
• 4.1 介质流动有限分析计算方法44-47
• 4.1.1 流动计算几何模型的建立及简化44-46
• 4.1.2 计算区域的离散及求解46-47
• 4.2 迷宫式流道流动计算结果与特性分析47-57
• 4.2.1 流动特性研究对象47
• 4.2.2 降压级数对迷宫式流道流动特性影响47-51
• 4.2.3 弯道形式对迷宫式流道流动特性影响51-52
• 4.2.4 轴向及径向宽度对迷宫式流道流动特性影响52-56
• 4.2.5 流道深度对迷宫式流道流动特性影响56
• 4.2.6 迷宫式流道结构对流动特性影响56-57
• 4.3 迷宫式芯包流动计算结果与特性分析57-62
• 4.3.1 芯包结构仿真研究的对象57
• 4.3.2 迷宫式流道数量对流动特性影响57-59
• 4.3.3 迷宫式流道分布对流动特性影响59-61
• 4.3.4 芯包结构对阀门流动特性影响61-62
• 4.4 本章小结62-64
• 5 高压差迷宫式调节阀流固耦合特性研究64-78
• 5.1 流固耦合计算方法64-65
• 5.1.1 流固耦合计算的分类64-65
• 5.1.2 流固耦合计算的过程65
• 5.2 流固耦合计算模型简化及建立65-66
• 5.3 无流固耦合作用计算结果66-71
• 5.3.1 无流固耦合作用时阀门的流量特性67-71
• 5.4 考虑流固耦合特性计算结果71-76
• 5.4.1 考虑流固耦合作用时阀门的流量特性73-76
• 5.5 本章小结76-78
• 6 总结与展望78-82
• 6.1 主要结论78-79
• 6.2 主要创新点79
• 6.3 工作展望79-82
• 致谢82-84
• 参考文献84-88

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本文编号：477375