压力调节阀的流场流动特性和流固耦合特性研究

论文摘要

调节阀是自动化技术中最常见的执行元件之一,广泛应用于石油、天然气、化工、电力、冶金等工业部门,是自动化系统中必不可少的重要环节。现代工业对调节阀的使用要求越来越高,不仅要求通过调节阀的流体严格满足压力、流量、温度等条件,同时也更注重流体经过调节阀时的流动特性。传统上工程人员主要利用经验公式推算出调节阀的流量特性来选择合适的调节阀,并未考虑流体经过调节阀时流场变量的分布和变化情况。本文采用计算流体动力学方法建立了某调节阀的内部流体及阀体仿真模型,全面分析了调节阀内部流场的定常流动特性、瞬态流动特性和考虑流固耦合作用的瞬态流动特性。首先,利用CAD技术建立了基于PRO/E的调节阀内部流体区域和调节阀阀体部分的几何模型。为了减小计算规模,便于数值分析,对模型进行合理的假设和简化,忽略内部倒角和外部法兰盘螺栓孔,假定调节阀是整体件并对其进行前后对称简化。然后,采用网格工具ICEM CFD对流体模型进行网格划分,得到了包含四面体和六面体的调节阀内部流体混合网格模型。其次,建立了不同开度下调节阀内部流场的定常流动仿真模型,分别求解了各开度下调节阀前后压差为1MPa时流场的定常流动。对计算结果进行了可视化分析,从对称面及阀体壁面处的压力等值线和流场流速流线等方面分析了调节阀内部流场的流动特性,得到了各开度下出口处的质量流量,分析了调节阀的理想流量特性。结果表明调节阀在流动过程中内流场的流通面积越小,节流作用越明显,相应的压力也越小,同时流动速度越高。节流处湍流易发展变化,流体流动变化剧烈,流动阻力较大。调节阀阀芯为带平衡腔的平板型时,调节阀的流量特性为快开特性,其打开过程能够快速增大流量,在开度10%时,流量百分比就能够达到50%以上,能够更好地满足其快速启闭和响应的要求。最后,对无耦合和流固耦合作用下的调节阀瞬态流动进行了分析。建立了时间0.1s,入口压力正弦波动的无耦合和流固耦合瞬态流动仿真模型。抽取不同时间子步的流场和结构场结果,得到了这些时间子步的压力等值线和流速流线图。分析了这两组不同模型调节阀的瞬态流动特性,得到了时间历程的出口处平均压力曲线。同时,对流固耦合作用下调节阀瞬态流动模型中流体对调节阀产生的应力和变形进行了研究,调节阀在0.1 s内受流体影响产生了不同的变形和应力。对比无耦合和流固耦合瞬态流动结果发现,流固耦合作用使调节阀内流体流动更易于向湍流发展,流速更快,出口处流体压力波动明显大于无耦合的瞬态流动。本课题研究有助于优化调节阀流动性能,稳定阀门出口压力,对提高我国调节阀设计研究水平具有积极的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 调节阀的研究背景及意义
• 1.2 调节阀的研究现状和发展方向
• 1.2.1 调节阀的类型及结构
• 1.2.2 调节阀的发展历史
• 1.2.3 现代工业对调节阀的发展要求
• 1.2.4 调节阀的发展方向
• 1.3 流体动力学的应用发展
• 1.3.1 流体动力学概述
• 1.3.2 流固耦合力学概述
• 1.4 课题的提出和主要研究内容
• 第2章 计算流体动力学的基本理论
• 2.1 流体的基本性质
• 2.1.1 流体的定义和特征
• 2.1.2 流体的主要物理性质
• 2.1.3 理想流体的假设
• 2.1.4 作用在流体上的力
• 2.2 流体动力学的基本原理和控制方程
• 2.2.1 连续性方程
• 2.2.2 运动方程
• 2.2.3 能量方程
• 2.3 计算流体动力学的数值分析基础
• 2.3.1 计算域的离散化
• 2.3.2 计算域离散化方法
• 2.3.3 计算流体动力学的求解步骤
• 2.4 本章小结
• 第3章 有限元模型的建立
• 3.1 调节阀阀门的几何模型
• 3.1.1 阀门的几何模型
• 3.1.2 调节阀内部流体的几何模型
• 3.2 计算域的网格划分
• 3.2.1 网格工具ICEM CFD的使用
• 3.2.2 调节阀内部流体模型的网格划分
• 3.2.3 阀体几何模型的网格划分
• 3.3 初始条件和边界条件的设定
• 3.3.1 初始条件的设定
• 3.3.2 边界条件的设定
• 3.4 本章小结
• 第4章 调节阀内流场的定常流动分析
• 4.1 调节阀的定常流动模型
• 4.1.1 调节阀的定常流动和理想流量特性
• 4.1.2 CFX中流体CFD分析步骤
• 4.1.3 调节阀定常流动模型的定义
• 4.2 定常流动的求解参数设定
• 4.2.1 求解参数设定
• 4.2.2 定常流动求解结果收敛分析
• 4.3 定常流动结果分析
• 4.3.1 调节阀定常流动可视化结果分析
• 4.3.2 调节阀的理想流量特性曲线
• 4.4 本章小结
• 第5章 调节阀的流固耦合分析
• 5.1 流固耦合的数值求解方法
• 5.1.1 调节阀的流固耦合作用
• 5.1.2 调节阀流固耦合的数值计算步骤
• 5.2 计算模型的建立
• 5.2.1 调节阀的无流固耦合瞬态流动计算模型
• 5.2.2 调节阀的流固耦合瞬态流动计算模型
• 5.3 无流固耦合作用的瞬态计算结果
• 5.3.1 无耦合瞬态流动求解结果收敛分析
• 5.3.2 无耦合瞬态流动的流速流线分析
• 5.3.3 无耦合瞬态流动出口的压力波动
• 5.4 流固耦合作用下的瞬态计算结果
• 5.4.1 流固耦合作用下瞬态流动求解结果收敛分析
• 5.4.2 流固耦合作用下瞬态流动的流速流线分析
• 5.4.3 流固耦合作用下调节阀的受力分析
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 全文总结
• 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士学位期间发表论文和参与课题
• 学位论文评阅及答辩情况表