大流量煤氣壓力調(diào)節(jié)閥流固耦合機理及動態(tài)特性研究.pdf

1、鋼廠在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的焦?fàn)t和高爐煤氣，為了降低鋼廠的總體能耗和物耗、減少環(huán)境污染，目前許多鋼廠開始利用廢煤氣發(fā)電，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟。但在鋼廠循環(huán)發(fā)電工程中，氣體供給量大，對混合煤氣的流量要求高達(dá)54000Nm3/h以上。在混合煤氣的輸送管路中采用調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量和壓力的控制，調(diào)節(jié)閥公稱通徑超過200mm，閥內(nèi)大流量煤氣的流動是復(fù)雜的非定常三維可壓湍流流動，調(diào)節(jié)閥和混合煤氣之間的相互作用是典型的流固耦合問題，這種流固耦合作用會對調(diào)節(jié)閥及混

2、合煤氣流場產(chǎn)生較大影響，因此從流固耦合問題出發(fā)對大流量調(diào)節(jié)閥及其流場的準(zhǔn)確的分析是調(diào)節(jié)閥設(shè)計制造和優(yōu)化的重要前提。本文主要針對發(fā)電工程所涉及到的基于流固耦合的大流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了研究。
　　 闡述了流固耦合的基本內(nèi)涵及研究基礎(chǔ)，綜述了流固耦合問題的國內(nèi)外研究概況，介紹了調(diào)節(jié)閥流固耦合的特點，對在循環(huán)發(fā)電工程中大流量調(diào)節(jié)閥流固耦合亟待解決的問題進(jìn)行了探討。
　　 針對大流量調(diào)節(jié)閥建立了流固耦合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，采用流固耦合有限元

3、數(shù)值計算方法，分析了調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)振動的有限元方程和流體的有限元方程，探討了大流量調(diào)節(jié)閥的流固耦合系統(tǒng)基本方程和邊界條件；采用Galerkin有限元方法建立了調(diào)節(jié)閥與混合煤氣流固耦合的有限元方程，采用模態(tài)分析法進(jìn)行了動力響應(yīng)分析；揭示了混合煤氣與調(diào)節(jié)閥的耦合振動機理，并對閥芯進(jìn)行了動態(tài)特性分析；建立了大流量調(diào)節(jié)閥低頻噪聲耦合數(shù)學(xué)模型，從而得到了符合設(shè)計要求的耦合振動和噪聲的理論分析，為進(jìn)一步展開流固耦合研究奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 以

4、大流量混合煤氣壓力調(diào)節(jié)閥為研究對象，將數(shù)值仿真方法應(yīng)用于大流量調(diào)節(jié)閥流固耦合系統(tǒng)的研究中，探討了流固耦合對大流量調(diào)節(jié)閥及其流場的影響。揭示了在不同工況下，基于流固耦合的大流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)混合煤氣流場及速度矢量分布，研究了流體旋渦形成的原因、位置及其對調(diào)節(jié)閥振動產(chǎn)生的影響；探討了流固耦合對流場壓力及壓力損失情況、流量及壓力控制精度、氣流脈動頻率的影響。所建立的流固耦合仿真模型對提高模擬的精度以及分析結(jié)構(gòu)的流激振動問題均有實際意義，得到的結(jié)果為

5、大流量調(diào)節(jié)閥的優(yōu)化設(shè)計、噪聲研究和試驗研究提供了理論指導(dǎo)。
　　 在流固耦合的基礎(chǔ)上對大流量調(diào)節(jié)閥流動特性和噪聲進(jìn)行了研究，得到了不同工況下的流量系數(shù)和流阻系數(shù)的數(shù)值以及噪聲水平，繪制出大流量調(diào)節(jié)閥的實際工作流量特性曲線和流阻特性曲線，采用最小二乘參數(shù)辨識的方法建立了流阻系數(shù)隨開度變化的控制模型，可以為大流量調(diào)節(jié)閥在較寬工況范圍內(nèi)的流動阻力實現(xiàn)良好的模擬和預(yù)測。仿真結(jié)果為大流量調(diào)節(jié)閥優(yōu)化設(shè)計提供了結(jié)構(gòu)和流場參數(shù)的量化數(shù)據(jù)，為理論

6、分析提供了實驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)，是降低結(jié)構(gòu)噪聲和進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)和必要措施。
　　 為使大流量調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)參數(shù)和流場參數(shù)達(dá)到最優(yōu)，以結(jié)構(gòu)、流場和噪聲分析結(jié)果為設(shè)計準(zhǔn)則，提出了大流量調(diào)節(jié)閥的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化框架，實現(xiàn)了涉及到多學(xué)科、多物理場的大流量調(diào)節(jié)閥的建模、分析以及優(yōu)化的一體化集成。以保證煤氣輸送能力為前提，在追求減小調(diào)節(jié)閥噪音的系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)下，減小了調(diào)節(jié)閥的壁厚和流體速度，滿足了雷諾數(shù)、應(yīng)力強度和閥體總質(zhì)量的要求，即優(yōu)化后在

7、降低噪音的同時，可以降低產(chǎn)品價格成本、使流動趨于穩(wěn)定、并且提高調(diào)節(jié)閥疲勞強度。
　　 分別對基于流固耦合的調(diào)節(jié)閥閥體和閥芯的動力學(xué)特性進(jìn)行了分析，得到了流體對調(diào)節(jié)閥閥體和閥芯固有頻率及振型的影響，并對其持續(xù)動力響應(yīng)情況進(jìn)行了探討，從而能夠判斷調(diào)節(jié)閥在受到不同頻率的載荷時能否成功地克服共振、疲勞，及其它受迫振動所引起的不良效果。
　　 以調(diào)節(jié)閥模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)強度分析為基礎(chǔ)，提出了針對大流量調(diào)節(jié)閥流固耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損傷識別方

8、法，根據(jù)閥芯的固有頻率的變化來判斷損傷裂紋的出現(xiàn)，根據(jù)頻率變化的多少確定裂紋的大小，從而能夠快速有效的診斷出工作環(huán)境比較特殊的大流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)部閥桿的損傷情況，避免煤氣泄漏以及閥的動作緩慢或不能正常調(diào)節(jié)等故障的發(fā)生。
　　 通過試驗方法，對大流量調(diào)節(jié)閥動力學(xué)模型的有效性和流固耦合數(shù)值仿真的可靠性進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明所建立的調(diào)節(jié)閥動力學(xué)分析模型用于模態(tài)的研究具有較高精度，所建立的基于流固耦合的調(diào)節(jié)閥模型具有較高可靠性，并且對流量和壓