基于Fluent小型制氧机主控阀降噪结构优化设计

论文摘要

小型制氧机的噪声主要分为进气噪声、无油空气压缩机噪声、风扇噪声、主控阀噪声,其中最主要的是无油空压机和主控阀的噪声。目前国内针对无油压缩机振动噪声的研究比较多,对主控阀噪声的研究比较少,并且大约50%以上制氧机厂商主控阀都是膜片截止式气动阀,噪声产生原理基本相同,本文的工作就是使主控阀的噪声降低几个分贝。首先对国内外阀门噪声、小型制氧机工作原理、变压吸附制氧原理进行研究,在此基础上建立了主控阀流体力学控制方程,并根据阀口气体流动速度选择了k-ε湍流模型,采用有限体积法。然后根据主控阀的结构尺寸和工作原理,对其数学模型进行了简化,在确定模型合理后进行Fluent仿真分析主控阀内部流场,观察气体的流动情况,找到引起噪声的位置及其产生机理：一方面是阀座处存在奇点,引起内部湍流扰动,由于局部压力梯度变化过大产生噪声；另一方面是阀口两侧压力差大,主控阀开度小,使气流速度在此处突然增大。在仿真分析过程中,清楚噪声产生的原因后,找到了噪声传播的途径：均压的过程中,右侧高压膜片处产生噪声,在左侧低压膜片还没有封闭阀座时经过主控阀排气口传播出去。根据均压噪声产生的原因、噪声传播途径和前人的实验分析,提出了主控阀后置单向阀的降噪设计方案。首先仿真分析主控阀不同开度、奇点处到圆角处理、阀杆导流处理等结构参数对流体噪声的影响,选择了结构与噪声的最优组合。然后理论计算阀口受力、单向阀阀芯流量是否满足要求,单向阀圆柱压缩弹簧的刚度、强度、可靠性进行校核,确定了主控阀后置单向阀的结构,并再次仿真对比分析了原阀和改进阀的流场分布情况,间接判断改进后结构是够可以降低小型制氧机主控阀的均压噪声。最后加工所设计的主控阀,在实验室内测量改进后结构在有无机壳情况下的均压噪声,氧气浓度。实际数据说明在阀口倒圆角、增大开度、主控阀后置单向阀后均压噪声得到有效控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 阀门噪声国内外研究现状
• 1.3 问题的提出及其工程背景
• 1.4 课题研究目的和意义
• 1.5 本论文工作
• 第2章 主控阀均压噪声机理仿真分析
• 2.1 流体动力学控制方程
• 2.2 湍流模型和数值方法
• 2.3 数值计算域和边界条件
• 2.4 模型简化合理性分析
• 2.5 主控阀Fluent数值模拟
• 2.5.1 Gambit建立主控阀三维模型
• 2.5.2 Fluent参数设置
• 2.5.3 仿真结果及噪声机理分析
• 2.6 小结
• 第3章 主控阀降噪方案设计
• 3.1 方案确定
• 3.2 单向阀可行性分析
• 3.2.1 实验角度分析单向阀可行性
• 3.2.2 微型变压吸附制氧工艺与主控阀工作原理
• 3.2.3 系统工艺周期角度分析单向阀可行性
• 3.3 小结
• 第4章 主控阀后置单向阀结构设计
• 4.1 阀体结构优化设计
• 4.1.1 开度影响（阀芯到阀座的距离）
• 4.1.2 阀座奇点处倒圆角
• 4.1.3 阀杆优化设计
• 4.1.4 阀体内部结构优化选择
• 4.2 相关计算
• 4.2.1 阀口受力计算
• 4.2.2 单向阀圆柱压缩弹簧设计
• 4.2.3 阀芯流量计算
• 4.3 主控阀后置单向阀结构尺寸
• 4.3.1 整体外形尺寸
• 4.3.2 结构爆炸图
• 4.3.3 结构剖面图
• 4.3.4 与原阀对比
• 4.4 主控阀后置单向阀与原阀仿真对比分析
• 4.4.1 速度对比
• 4.4.2 压强对比
• 4.4.3 湍动能对比
• 4.5 小结
• 第5章 实验设计与分析
• 5.1 实验概述
• 5.1.1 实验目的
• 5.1.2 实验装置与流程
• 5.1.3 实验仪器与用途
• 5.2 实验过程与结果
• 5.3 对实验得到的压力、噪声、氧气浓度数据进行分析
• 5.3.1 压力变化曲线
• 5.3.2 噪声变化曲线
• 5.3.3 氧气浓度变化曲线对比图
• 5.4 小结
• 第6章 总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 二维图