基于Fluent软件的大口径蝶阀流场研究

论文摘要

蝶阀作为大型管道系统广泛使用的一种控制设备,它的控制可靠性、安全性、制造和运行成本、高寿命对于国民经济具有重要意义。传统的蝶阀设计方法主要依据半经验公式与工程设计手册、图表等,其中的各种经验常数、修正系数都是通过大量实验获取的,这往往需要大量的实验数据,不仅投入高、周期长,而且加大了设计制造成本。本文旨在应用计算流体力学方法为蝶阀设计提供一种新的途径,通过数值模拟不但可以获得产品设计所需的流动特性参数,而且还可以掌握流场内部的详细情况,如压强分布、流速分布、流动分离状态、空化现象发生部位以及非稳态过程中各参数的变化,同时使得应用数值模拟的方法进行蝶阀流阻系数计算和动水力矩计算成为可能,从而有效的指导蝶阀的优化设计。论文的主要内容包括：(1)简述了阀门研究的现状与发展,蝶阀的发展概况、应用领域及其重要意义,介绍了蝶阀的基本特性,指出了当前蝶阀的主要设计方法和存在的主要问题,进而导出了本课题的研究背景、研究意义和研究方法,同时阐述了数值模拟相关理论。(2)对蝶阀流动特性进行三维数值模拟与分析,计算蝶阀的流量系数和水力转矩系数,通过与实验数据进行比较,验证所建计算模型进行蝶阀流场数值模拟计算的适用性；分析蝶阀在多个开度下的流场结构,对各个开度下的压强、流速和流线进行分析。(3)对蝶阀在特定工作环境下进行数值模拟与分析,计算蝶阀在多个开度下的流阻系数；计算蝶阀在多个开度下的动水力矩,并与理论计算结果进行了比较分析,得出最大动水力矩时蝶阀的开度范围；比较常流量下和变流量下的蝶阀空化系数,分析容易产生空化的原因,提出了避免空化的观点。(4)对蝶阀空化现象进行数值模拟与分析,结合工程实际,研究不同入口压强和不同管道结构对蝶阀空化流场的影响,进而提出几种减小空化的具体方法。(5)对蝶阀流动特性进行非稳态数值模拟与分析,获得蝶阀在不同启闭时间内的流量变化情况和阀盘所受阻力系数、升力系数、动水力矩系数的变化情况,同时分析蝶阀内部流场分布状态,分析空化现象,得出对工程设计与运行管理有益的结论和建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 蝶阀的发展概况
• 1.3 计算流体力学的相关介绍
• 1.4 课题的研究意义与研究方法
• 第2章 蝶阀的基本特性与数值模拟相关理论
• 2.1 蝶阀的基本特性
• 2.1.1 控制阀及蝶阀的流量特性
• 2.1.2 蝶阀的动水力矩
• 2.1.3 蝶阀的空化现象
• 2.2 蝶阀的数值模拟相关理论
• 2.2.1 流体力学基本方程
• 2.2.2 湍流模型基本方程
• 2.2.3 N-S方程模型的计算方法
• 2.2.4 湍流模型
• 2.2.5 标准k-ε模型
• 2.2.6 数值离散方法
• 2.2.7 SIMPLE算法及改进
• 第3章 蝶阀流动特性的数值模拟
• 3.1 前处理及计算过程与计算收敛性分析
• 3.1.1 几何建模及网格化分
• 3.1.2 求解过程
• 3.1.3 计算收敛性分析
• 3.2 流动特性分析
• 3.2.1 流量系数
• 3.2.2 水力转矩系数
• 3.3 流场结果分析
• 3.3.1 压强分布
• 3.3.2 流速分布
• 3.3.3 流线分布
• 3.4 本章小结
• 第4章 蝶阀在特定工况下的数值模拟
• 4.1 流阻系数
• 4.1.1 流阻系数的定义
• 4.1.2 流阻系数的计算
• 4.2 动水力矩分析
• 4.3 空化预测分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 蝶阀空化现象的数值模拟
• 5.1 数值计算模型
• 5.1.1 基本假设
• 5.1.2 空化模型
• 5.1.3 混合模型
• 5.1.4 湍流模型
• 5.2 前处理及计算过程与计算收敛性分析
• 5.2.1 几何建模及网格化分
• 5.2.2 求解过程
• 5.2.3 计算收敛性分析
• 5.3 流场结果分析
• 5.3.1 压强分布
• 5.3.2 流速分布
• 5.3.3 汽含率分布
• 5.3.4 固壁的汽含率分布
• 5.4 入口压强影响规律研究
• 5.4.1 压强分布
• 5.4.2 流速分布
• 5.4.3 汽含率分布
• 5.4.4 固壁的汽含率分布
• 5.5 管道结构影响规律研究
• 5.5.1 压强分布
• 5.5.2 流速分布
• 5.5.3 汽含率分布
• 5.5.4 固壁的汽含率分布
• 5.6 空化的解决方法
• 5.7 本章小结
• 第6章 蝶阀流动特性的非稳态数值模拟
• 6.1 前处理及计算过程与计算收敛性分析
• 6.1.1 几何建模及网格化分
• 6.1.2 求解过程
• 6.1.3 计算收敛性分析
• 6.2 开启过程的非稳态分析
• 6.2.1 流量的变化规律
• 6.2.2 阀盘所受力系数和动水力矩系数的变化规律
• 6.2.3 压强分布与流速分布
• 6.3 关闭过程的非稳态分析
• 6.3.1 流量的变化规律
• 6.3.2 阀盘所受力系数和动水力矩系数的变化规律
• 6.3.3 压强分布与流速分布
• 6.4 非稳态分析的结论
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢