大流量煤气压力调节阀流固耦合机理及动态特性研究

发布时间：2020-06-02 21:33

【摘要】：钢厂在生产过程中会产生大量的焦炉和高炉煤气,为了降低钢厂的总体能耗和物耗、减少环境污染,目前许多钢厂开始利用废煤气发电,发展循环经济。但在钢厂循环发电工程中,气体供给量大,对混合煤气的流量要求高达54000Nm3/h以上。在混合煤气的输送管路中采用调节阀进行流量和压力的控制,调节阀公称通径超过200mm,阀内大流量煤气的流动是复杂的非定常三维可压湍流流动,调节阀和混合煤气之间的相互作用是典型的流固耦合问题,这种流固耦合作用会对调节阀及混合煤气流场产生较大影响,因此从流固耦合问题出发对大流量调节阀及其流场的准确的分析是调节阀设计制造和优化的重要前提。本文主要针对发电工程所涉及到的基于流固耦合的大流量调节阀进行了研究。阐述了流固耦合的基本内涵及研究基础,综述了流固耦合问题的国内外研究概况,介绍了调节阀流固耦合的特点,对在循环发电工程中大流量调节阀流固耦合亟待解决的问题进行了探讨。针对大流量调节阀建立了流固耦合系统数学模型,采用流固耦合有限元数值计算方法,分析了调节阀结构振动的有限元方程和流体的有限元方程,探讨了大流量调节阀的流固耦合系统基本方程和边界条件；采用Galerkin有限元方法建立了调节阀与混合煤气流固耦合的有限元方程,采用模态分析法进行了动力响应分析；揭示了混合煤气与调节阀的耦合振动机理,并对阀芯进行了动态特性分析；建立了大流量调节阀低频噪声耦合数学模型,从而得到了符合设计要求的耦合振动和噪声的理论分析,为进一步展开流固耦合研究奠定了理论基础。以大流量混合煤气压力调节阀为研究对象,将数值仿真方法应用于大流量调节阀流固耦合系统的研究中,探讨了流固耦合对大流量调节阀及其流场的影响。揭示了在不同工况下,基于流固耦合的大流量调节阀内混合煤气流场及速度矢量分布,研究了流体旋涡形成的原因、位置及其对调节阀振动产生的影响；探讨了流固耦合对流场压力及压力损失情况、流量及压力控制精度、气流脉动频率的影响。所建立的流固耦合仿真模型对提高模拟的精度以及分析结构的流激振动问题均有实际意义,得到的结果为大流量调节阀的优化设计、噪声研究和试验研究提供了理论指导。在流固耦合的基础上对大流量调节阀流动特性和噪声进行了研究,得到了不同工况下的流量系数和流阻系数的数值以及噪声水平,绘制出大流量调节阀的实际工作流量特性曲线和流阻特性曲线,采用最小二乘参数辨识的方法建立了流阻系数随开度变化的控制模型,可以为大流量调节阀在较宽工况范围内的流动阻力实现良好的模拟和预测。仿真结果为大流量调节阀优化设计提供了结构和流场参数的量化数据,为理论分析提供了实验基础和理论依据,是降低结构噪声和进行结构优化设计的基础和必要措施。为使大流量调节阀结构参数和流场参数达到最优,以结构、流场和噪声分析结果为设计准则,提出了大流量调节阀的多学科设计优化框架,实现了涉及到多学科、多物理场的大流量调节阀的建模、分析以及优化的一体化集成。以保证煤气输送能力为前提,在追求减小调节阀噪音的系统优化目标下,减小了调节阀的壁厚和流体速度,满足了雷诺数、应力强度和阀体总质量的要求,即优化后在降低噪音的同时,可以降低产品价格成本、使流动趋于稳定、并且提高调节阀疲劳强度。分别对基于流固耦合的调节阀阀体和阀芯的动力学特性进行了分析,得到了流体对调节阀阀体和阀芯固有频率及振型的影响,并对其持续动力响应情况进行了探讨,从而能够判断调节阀在受到不同频率的载荷时能否成功地克服共振、疲劳,及其它受迫振动所引起的不良效果。以调节阀模态分析和结构强度分析为基础,提出了针对大流量调节阀流固耦合系统的结构损伤识别方法,根据阀芯的固有频率的变化来判断损伤裂纹的出现,根据频率变化的多少确定裂纹的大小,从而能够快速有效的诊断出工作环境比较特殊的大流量调节阀内部阀杆的损伤情况,避免煤气泄漏以及阀的动作缓慢或不能正常调节等故障的发生。通过试验方法,对大流量调节阀动力学模型的有效性和流固耦合数值仿真的可靠性进行了验证。结果表明所建立的调节阀动力学分析模型用于模态的研究具有较高精度,所建立的基于流固耦合的调节阀模型具有较高可靠性,并且对流量和压力的控制精度以及得到的流量系数和流阻系数要比不考虑流固耦合时的精度要高。从流固耦合问题出发研究大流量混合煤气压力调节阀,提高调节阀的综合性能,实现调节阀在流固耦合作用下的结构优化设计,对于提高我国大流量调节阀的设计研究水平,推动钢厂的燃气-蒸汽联合循环发电工程的进一步发展具有重要的理论意义和工程实践价值。本课题得到国家863高技术研究发展计划项目“钢厂循环发电工程中大流量煤气的智能优化控制及应用技术(2008AA04Z130)”和高等学校博士学科点专项科研基金资助项目“大流量高频响核电控制阀的多场耦合振动与泄漏自感知机理研究”(20110131110042)的支持。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH134

【引证文献】