大流量煤氣壓力調節(jié)閥流固耦合機理及動態(tài)特性研究.pdf

1、鋼廠在生產過程中會產生大量的焦爐和高爐煤氣，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54000Nm3/h以上。在混合煤氣的輸送管路中采用調節(jié)閥進行流量和壓力的控制，調節(jié)閥公稱通徑超過200mm，閥內大流量煤氣的流動是復雜的非定常三維可壓湍流流動，調節(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節(jié)閥及混

2、合煤氣流場產生較大影響，因此從流固耦合問題出發(fā)對大流量調節(jié)閥及其流場的準確的分析是調節(jié)閥設計制造和優(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節(jié)閥進行了研究。
　　 闡述了流固耦合的基本內涵及研究基礎，綜述了流固耦合問題的國內外研究概況，介紹了調節(jié)閥流固耦合的特點，對在循環(huán)發(fā)電工程中大流量調節(jié)閥流固耦合亟待解決的問題進行了探討。
　　 針對大流量調節(jié)閥建立了流固耦合系統(tǒng)數學模型，采用流固耦合有限元

3、數值計算方法，分析了調節(jié)閥結構振動的有限元方程和流體的有限元方程，探討了大流量調節(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)分析法進行了動力響應分析；揭示了混合煤氣與調節(jié)閥的耦合振動機理，并對閥芯進行了動態(tài)特性分析；建立了大流量調節(jié)閥低頻噪聲耦合數學模型，從而得到了符合設計要求的耦合振動和噪聲的理論分析，為進一步展開流固耦合研究奠定了理論基礎。
　　 以

4、大流量混合煤氣壓力調節(jié)閥為研究對象，將數值仿真方法應用于大流量調節(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節(jié)閥內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、位置及其對調節(jié)閥振動產生的影響；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構的流激振動問題均有實際意義，得到的結果為

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

6、分析提供了實驗基礎和理論依據，是降低結構噪聲和進行結構優(yōu)化設計的基礎和必要措施。
　　 為使大流量調節(jié)閥結構參數和流場參數達到最優(yōu)，以結構、流場和噪聲分析結果為設計準則，提出了大流量調節(jié)閥的多學科設計優(yōu)化框架，實現(xiàn)了涉及到多學科、多物理場的大流量調節(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，在追求減小調節(jié)閥噪音的系統(tǒng)優(yōu)化目標下，減小了調節(jié)閥的壁厚和流體速度，滿足了雷諾數、應力強度和閥體總質量的要求，即優(yōu)化后在

7、降低噪音的同時，可以降低產品價格成本、使流動趨于穩(wěn)定、并且提高調節(jié)閥疲勞強度。
　　 分別對基于流固耦合的調節(jié)閥閥體和閥芯的動力學特性進行了分析，得到了流體對調節(jié)閥閥體和閥芯固有頻率及振型的影響，并對其持續(xù)動力響應情況進行了探討，從而能夠判斷調節(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。
　　 以調節(jié)閥模態(tài)分析和結構強度分析為基礎，提出了針對大流量調節(jié)閥流固耦合系統(tǒng)的結構損傷識別方

8、法，根據閥芯的固有頻率的變化來判斷損傷裂紋的出現(xiàn)，根據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節(jié)閥內部閥桿的損傷情況，避免煤氣泄漏以及閥的動作緩慢或不能正常調節(jié)等故障的發(fā)生。
　　 通過試驗方法，對大流量調節(jié)閥動力學模型的有效性和流固耦合數值仿真的可靠性進行了驗證。結果表明所建立的調節(jié)閥動力學分析模型用于模態(tài)的研究具有較高精度，所建立的基于流固耦合的調節(jié)閥模型具有較高可靠性，并且對流量和壓