活塞式调节阀流场特性分析与结构优化

发布时间：2017-09-13 16:44

  本文关键词：活塞式调节阀流场特性分析与结构优化

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【摘要】：调节阀是工业生产中重要的控制设备,高性能与低能耗调节阀的研发与使用有助于提高工业生产效率和能源使用率。随着工业技术的发展,高性能调节阀的内部结构变得更为复杂,依靠实验研究和理论计算为基础的传统设计方法已经难以满足高性能调节阀的设计要求,而应用CFD数值模拟方法来辅助高性能调节阀的研究与设计是未来研究的趋势。这一方法的应用,不仅可以对调节阀内部流场进行更加深入的研究,并且能有效提高设计效率和降低研发成本。本文通过CFD数值模拟方法对活塞式调节阀内部流场特性进行模拟分析,并在此基础上找出调节阀内部流道的不足从而提出优化方案。首先通过三维建模软件Solidworks对株洲南方阀门股份有限公司提供的DN450型活塞式调节阀进行三维实体建模,并导入ANSYS Workbench协同仿真平台中,抽取调节阀内部流道并划分网格;然后根据调节阀内部流场的粘性流动、湍流流动以及多相流流动,并结合流体力学基本理论与方法,建立调节阀的三维流场控制方程;应用集成在ANSYS Workbench中的CFD模拟软件Fluent对调节阀内部流场进行模拟计算,计算完成后运用专业后处理软件Tecplot对模拟结果进行可视化分析,得到其流量特性曲线以及内部流场的压力、速度、流线以及汽化体积分数分布云图。在模拟计算的基础上,分析流道内产生漩涡和气蚀的原因,从而找出原结构调节阀内部流道的不足,提出增加多层降压和内部引流结构的优化方案,并进行计算校核,最后对优化前后的模型进行对比分析,结果表明优化后结构在一定程度减少了漩涡和气蚀的产生。本文的研究结果为活塞式调节阀的设计及优化提供了可靠依据,对于其他类型调节阀的研究也有一定的参考价值。
【关键词】：调节阀 CFD数值模拟 流场 空化 结构优化 多级降压
【学位授予单位】：湖南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH134
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 论文研究的背景与意义9-10
• 1.2 调节阀概述10-14
• 1.2.1 调节阀介绍10-11
• 1.2.2 调节阀的发展11-13
• 1.2.3 国内调节阀行业现状13-14
• 1.3 调节阀国内外研究现状14-16
• 1.3.1 主要研究手段14
• 1.3.2 国外研究现状14-15
• 1.3.3 国内研究现状15-16
• 1.4 本文研究的主要内容16-17
• 1.5 本章小结17-18
• 第二章 活塞式调节阀的基本特性与数值模拟相关理论18-30
• 2.1 活塞式调节阀的特点与基本特性18-21
• 2.1.1 活塞式调节阀的特点18-19
• 2.1.2 调节阀的流量特性19-20
• 2.1.3 调节阀的空化现象20-21
• 2.2 调节阀流场分析相关理论21-27
• 2.2.1 调节阀流场分析控制方程21-22
• 2.2.2 湍流模型基本方程22-23
• 2.2.3 标准k-ε 模型23-24
• 2.2.4 Mixture混合相模型方程24-25
• 2.2.5 数值离散方法25-27
• 2.3 协同仿真平台ANSYS Workbench27-29
• 2.3.1 ANSYS Workbench简介27-28
• 2.3.2 CFD模拟计算软件Fluent介绍28
• 2.3.3 Design Exploration优化设计平台28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 活塞式调节阀数值模拟与分析30-44
• 3.1 活塞式调节阀内部流场数值模拟30-34
• 3.1.1 流场数值分析的主要步骤30
• 3.1.2 几何建模及网格化分30-31
• 3.1.3 网格划分31-32
• 3.1.4 求解设置32-34
• 3.2 流量特性分析34-35
• 3.3 流场可视化分析35-43
• 3.3.1 开度 10%时流场分析35-37
• 3.3.2 开度 40%时流场分析37-38
• 3.3.3 开度 70%时流场分析38-40
• 3.3.4 开度 100%时流场分析40-41
• 3.3.5 汽蚀分析41-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第四章 活塞式调节阀结构优化44-58
• 4.1 原模型存在的结构问题与优化目标44-45
• 4.2 调节阀结构优化45-49
• 4.2.1 新结构的提出45-46
• 4.2.2 多级迷宫式降压结构的设计与分析46-49
• 4.2.3 增加引流结构49
• 4.3 基于Workbench Design Exploration的最优化设计49-52
• 4.3.1 最优化设计的基本流程49-50
• 4.3.2 最优化计算模型的建立50-52
• 4.3.3 最优化计算结果与分析52
• 4.4 优化前后对比分析52-56
• 4.4.1 优化后模型流量特性分析53-54
• 4.4.2 优化后模型流场分析54-55
• 4.4.3 优化后模型小开度汽蚀分析55-56
• 4.5 不同公称通径或压力时的优化56-57
• 4.6 本章小结57-58
• 第五章 总结与展望58-60
• 5.1 全文总结58-59
• 5.2 工作展望59-60
• 参考文献60-63
• 攻读硕士学位期间主要研究成果及参与科研项目63-64
• 致谢64

【参考文献】

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本文编号：844865