高压差调节阀内部流体流动规律与汽蚀仿真研究

论文摘要

调节阀用于调节工业自动化过程控制领域中的介质流量、压力、温度、液位等工艺参数。改变调节阀的开度,可以实现介质流量、压力、温度和液位的调节,调节阀的用途十分广泛。在生产现场,调节阀直接控制工作介质,尤其是高温、高压、低温、强腐蚀、易燃、易爆、易渗透、剧毒及高粘度、易结晶等介质情况下,若选择或使用不当,往往会给生产过程自动化带来困难,导致调节质量下降,甚至会造成严重的生产事故。而汽蚀正是阀门使用过程中对阀门损害最大的流体力学问题。本文对大连川琦仪表有限公司提供的型号为DN65气动调节阀进行了相关调研并开展了理论研究和分析模拟。本文首先根据所提供的阀门零件图,结合建模软件Pro-E,模拟出阀门内部流体流动的流道模型,并根据实际工作的情况进行模型简化；应用Fluent分析软件对阀内流动现象进行了数值计算,初步得到了阀门内部流体流动的规律；在不同的阀门开度下,对汽蚀现象进行了计算机仿真模拟；预测了阀门内部易发生汽蚀的具体部位,并运用二分法找到了临界汽蚀速度。最后,在现有的改进和避免调节阀汽蚀问题的基础上,对该型号的气动调节阀内部结构给出了具体的改进对策。通过以上研究,可以得出结论：在正常使用情况下,严格控制各项物性参数,阀门一般不会发生汽蚀情况。但是,由于阀门内部工况不易精确控制,若速度或压力稍有变化,便会发生汽蚀。易于发生气穴的位置出现在小孔处,气泡的破裂过程又恰好发生在阀塞下部,对阀塞材料有着很大的冲击。本文还通过模拟,找到了开放一排孔和两排半孔的情况下,发生汽蚀的临界条件,分别得到在开放一排孔时,临界汽蚀速度为3.75m/s,在开放两排半空时,临界汽蚀速度为9m/s。根据汽蚀情况的分析,提出了在小孔前后设置倒角的改进结构,对其进行了流动模拟后,结果说明了该改进结构能在一定程度上减少或避免汽蚀对阀门的影响,为高压差调节阀在日后的结构改进中提供了理论依据,可以减少一些不必要的修复作业,进而减少了维修费用,提高了经济效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景和来源
• 1.1.1 汽蚀的定义
• 1.1.2 研究方法简述
• 1.2 国内外关于阀门的研究成果
• 1.3 本课题的任务
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究步骤
• 1.4 本章小结
• 第二章 流体流动与汽蚀模拟的数学模型与数值计算方法
• 2.1 数学模型
• 2.1.1 连续性方程
• 2.1.2 动量方程
• 2.1.3 能量方程
• 2.1.4 湍流模型方程
• 2.1.5 混合相模型方程
• 2.2 数值计算方法
• 2.2.1 离散化概述
• 2.2.2 有限体积法
• 2.2.3 代数方程的求解
• 2.3 本章小结
• 第三章 流体流动与汽蚀模拟的物理模型与数值仿真
• 3.1 二维物理模型
• 3.2 三维物理模型
• 3.3 边界条件
• 3.4 数值仿真实施方案
• 3.4.1 前处理
• 3.4.2 求解
• 3.4.3 后处理
• 3.4.4 算例
• 3.5 本章小结
• 第四章 流体流动与汽蚀的数值仿真结果分析
• 4.1 前处理结果
• 4.1.1 模型一
• 4.1.2 模型二
• 4.1.3 模型三
• 4.2 原结构算例结果及分析
• 4.2.1 算例一
• 4.2.2 算例二
• 4.2.3 算例三
• 4.2.4 算例四
• 4.2.5 算例五
• 4.2.6 算例六
• 4.3 改进结构算例结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者及导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书