基于先导控制的新型截止阀启闭特性的研究

论文摘要

基于先导控制的截止阀是一种利用介质压差实现启闭的新型阀门,具有结构简单、驱动能耗低、启闭快速等特点。但目前尚缺乏系统的理论研究、数值分析和试验验证,尤其在启闭特性方面缺少相关研究,而启闭特性的优劣关系直接影响阀门整体性能的体现,甚至影响整个管路系统的稳定性和安全性。为此本文采用数值模拟和实验研究相结合的方法,对先导式截止阀的流场特性、阀芯受力和运动特性以及弹簧选型等进行研究。主要研究内容和研究成果如下：1、通过先导式截止阀的稳态研究,初步验证了利用压差启闭原理的可行性和阀门结构的合理性；研究了不同条件对稳态流场的影响；分析了稳态压差液动力,为动态模拟奠定了基础。2、建立了阀芯受力方程和运动方程,并以此为依据编写了UDF程序,使新型先导式截止阀的动态模拟成为可能,为此类阀门的数值模拟奠定了基础。3、描述了先导式截止阀动态启闭过程,通过分析启闭时阀门流场和阀芯受力、位移及速度随时间的变化,对阀门的动态启闭过程有了更加全面和清晰的认识；研究了不同条件对动态启闭流场特性的影响,分别总结了开启和关闭时,不同入口压力、弹簧刚度和先导时间对阀门内部流场变化所产生的规律,为先导式截止阀的应用和设计具有指导作用；揭示了不同条件对阀芯运动特性的影响,分别总结了开启和关闭时,不同入口压力、弹簧刚度和先导时间对阀芯运动过程、阀芯稳定位移和阀芯启闭时间的规律,为先导式截止阀启闭过程的进一步优化奠定了基础。4、归纳了弹簧初步选型公式,并针对此公式进行实验研究。一方面通过实验数据得到规律,验证了数值模拟定性分析的正确性；另一方面对比实验数据与模拟数据,也证明了数值模拟定量分析的合理性。修正后的选型公式减少了设计时的盲目性,提高了设计的效率。本文研究成果对基于先导控制的新型截止阀的优化、设计以及工程应用具有重要的学术意义和工程应用价值。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 截止阀驱动装置现状及分析
• 1.2.1 国内外截止阀驱动技术与装置
• 1.2.2 截止阀驱动技术与装置存在的问题
• 1.2.3 截止阀驱动技术与装置的发展趋势
• 1.3 国内外先导式阀门研究现状
• 1.4 国内外阀门特性的研究现状
• 1.5 新型先导式截止阀的介绍
• 1.5.1 先导式截止阀的结构
• 1.5.2 先导式截止阀的原理
• 1.5.3 先导式截止阀的优点
• 1.6 研究的主要内容
• 1.6.1 研究的方法及内容
• 1.6.2 研究的目的及意义
• 2 计算流体力学相关基础知识
• 2.1 计算流体力学
• 2.1.1 计算流体力学概述
• 2.1.2 流体力学基本方程
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 湍流的介绍与特性
• 2.2.2 湍流的计算模型
• 2.3 方程的离散与求解
• 2.3.1 方程离散方法
• 2.3.2 方程求解算法
• 2.4 小结
• 3 先导式截止阀稳态启闭特性分析
• 3.1 几何模型的建立
• 3.2 网格划分与边界条件
• 3.2.1 GAMBIT划分网格
• 3.2.2 自适应网格
• 3.2.3 边界条件设置
• 3.3 先导式截止阀稳态开启特性分析
• 3.3.1 相同开启度时稳态流场分析
• 3.3.2 不同开启度时稳态流场比较
• 3.3.3 稳态开启压差液动力分析
• 3.4 先导式截止阀稳态关闭特性分析
• 3.4.1 相同关闭度时稳态流场分析
• 3.4.2 不同关闭度时稳态流场分析
• 3.4.3 稳态关闭压差液动力分析
• 3.5 小结
• 4 先导式截止阀动态启闭特性分析
• 4.1 数学模型的建立
• 4.1.1 阀芯受力微分方程
• 4.1.2 阀芯运动差分方程
• 4.2 计算模型的建立
• 4.2.1 模型网格
• 4.2.2 边界条件
• 4.3 先导式截止阀开启特性的分析
• 4.3.1 先导式截止阀开启过程
• 4.3.2 入口压力对开启特性的影响
• 4.3.3 弹簧刚度对开启特性的影响
• 4.3.4 先导时间对开启特性的影响
• 4.4 先导式截止阀关闭特性的分析
• 4.4.1 先导式截止阀关闭过程
• 4.4.2 入口压力对关闭特性的影响
• 4.4.3 弹簧刚度对关闭特性的影响
• 4.4.4 先导时间对关闭特性的影响
• 4.5 弹簧选型公式的归纳与验证
• 4.5.1 弹簧选型公式的归纳
• 4.5.2 弹簧选型公式的验证
• 4.6 小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 创新点
• 5.3 展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果