高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥流動(dòng)及流固耦合特性仿真研究.pdf

1、調(diào)節(jié)閥是一種非常通用的設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程控制領(lǐng)域,例如:航空航天事業(yè)、石油電力、國(guó)防建設(shè)、管道運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)方面。其主要用途是通過(guò)改變閥門(mén)的閥桿的行程,來(lái)調(diào)節(jié)控制液體介質(zhì)的壓力、流量、溫度等工藝參數(shù)的變化。近年來(lái),隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；?、自動(dòng)化及信息化的快速發(fā)展,對(duì)調(diào)節(jié)閥提出了以高溫、高壓差、低噪聲及抗空化為主的一系列苛刻要求，與此同時(shí),對(duì)髙壓差調(diào)節(jié)閥的要求不再局限于調(diào)控的安全和可靠,在其節(jié)能性、準(zhǔn)確性以及靈敏度等方面的要求

2、也越來(lái)越髙。迷宮閥作為降壓能力較強(qiáng)的多級(jí)降壓式調(diào)節(jié)閥，因?yàn)槠漭^強(qiáng)的降壓能力、較低的噪聲及合理的安全性及壽命，在電力、石油及化工領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越多。但是國(guó)內(nèi)對(duì)迷宮閥的研究起步較晚，雖然國(guó)內(nèi)許多的廠商也能夠生產(chǎn)各系列的高壓差的迷宮閥，卻絕大多數(shù)都是引進(jìn)或者仿制國(guó)外產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對(duì)迷宮閥缺少必要的理論研究與水力實(shí)驗(yàn)，不僅導(dǎo)致多數(shù)高壓差迷宮閥產(chǎn)品的調(diào)節(jié)性能、精度及安全不能滿(mǎn)足高要求，而且還制約了迷宮閥產(chǎn)品繼續(xù)研發(fā)和優(yōu)化的能力，非常不利于國(guó)內(nèi)高壓差調(diào)節(jié)

3、閥的發(fā)展。因此,本文從水力及流固耦合的角度對(duì)高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)特性和流固耦合特性進(jìn)行分析和研究，為高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥選型、繼續(xù)研發(fā)及優(yōu)化提供一定的理論指導(dǎo)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：①闡述工業(yè)控制領(lǐng)域的快速發(fā)展及對(duì)調(diào)節(jié)閥的新要求，較為系統(tǒng)簡(jiǎn)紹了調(diào)節(jié)閥的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展方向，同時(shí)本文重點(diǎn)介紹了高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥的起源、發(fā)展及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外在其流體、結(jié)構(gòu)及流固耦合領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，為較為系統(tǒng)的了解和掌握高壓

4、差迷宮式調(diào)節(jié)閥的原理和研究方向的確定奠定基礎(chǔ)。②為采用有限元方法實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部介質(zhì)的流動(dòng)及流固耦合的仿真分析，本文較為詳細(xì)的介紹了計(jì)算流體力學(xué)的控制方程、湍流模型、計(jì)算區(qū)域的離散與求解控制原理及注意事項(xiàng)，同時(shí)對(duì)閥門(mén)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核的理論、流固耦合分析的類(lèi)型及計(jì)算方式也做了介紹，為高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥的強(qiáng)度校核、流動(dòng)特性及流固耦合特性的研究提供了理論支撐。③高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥的三維幾何模型建立，計(jì)算中的幾何模型與真實(shí)模型

5、的趨近程度，對(duì)以幾何模型為基礎(chǔ)，仿真模擬現(xiàn)實(shí)的逼真程度有著重要的影響。為更加逼真的仿真模擬現(xiàn)實(shí)，并且更加容易的根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)閥門(mén)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用三維建模軟件建立參數(shù)化的閥門(mén)幾何模型，并根據(jù)閥門(mén)的幾何模型反向切除生成閥門(mén)的流體域的幾何模型。④高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥應(yīng)力分析計(jì)算及強(qiáng)度校核，針對(duì)高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥介質(zhì)壓力高、應(yīng)力條件復(fù)雜而使用工況對(duì)閥門(mén)安全性要求較高、擬采用分析設(shè)計(jì)方法的原則，并用有限單元法計(jì)算閥門(mén)結(jié)構(gòu)內(nèi)部任意一點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變

6、與位移，從而完成閥門(mén)強(qiáng)度更為科學(xué)和安全的校核，為閥門(mén)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提高參考，提高閥門(mén)的安全性。⑤高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)特性研究，高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部介質(zhì)的流動(dòng)特性的研究主要包括兩方面的內(nèi)容：a.迷宮式流道介質(zhì)流動(dòng)特性的研究，擬采用計(jì)算流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，研究迷宮式流道的降壓級(jí)數(shù)、彎道形式、軸向及徑向?qū)挾?、流道深度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流動(dòng)特性，特別是流阻影響規(guī)律，并分析了內(nèi)在的原因。 b.整個(gè)閥門(mén)內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)特性的研究，采用了計(jì)算流

7、體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，以常溫下的水為其內(nèi)部流動(dòng)的介質(zhì)，在迷宮式流道形式和結(jié)構(gòu)確定的情況下，研究不同壓差時(shí)，內(nèi)部介質(zhì)的速度、壓力、溫度的大小及分布和迷宮式流道的數(shù)量及分布對(duì)閥門(mén)流量系數(shù)及流量特性的影響及數(shù)學(xué)關(guān)系。⑥高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥流固耦合特性研究，高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥的一般使用在壓力、壓差都較大的工況下，而且迷宮式流道的結(jié)構(gòu)尺寸又比較的小，如果對(duì)其流量系數(shù)及調(diào)節(jié)精度較高時(shí)，高壓力對(duì)迷宮式流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響較大，進(jìn)而對(duì)調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)