大流量煤气压力调节阀流固耦合机理及动态特性研究

【摘要】：钢厂在生产过程中会产生大量的焦炉和高炉煤气,为了降低钢厂的总体能耗和物耗、减少环境污染,目前许多钢厂开始利用废煤气发电,发展循环经济。但在钢厂循环发电工程中,气体供给量大,对混合煤气的流量要求高达54000Nm3/h以上。在混合煤气的输送管路中采用调节阀进行流量和压力的控制,调节阀公称通径超过200mm,阀内大流量煤气的流动是复杂的非定常三维可压湍流流动,调节阀和混合煤气之间的相互作用是典型的流固耦合问题,这种流固耦合作用会对调节阀及混合煤气流场产生较大影响,因此从流固耦合问题出发对大流量调节阀及其流场的准确的分析是调节阀设计制造和优化的重要前提。本文主要针对发电工程所涉及到的基于流固耦合的大流量调节阀进行了研究。 阐述了流固耦合的基本内涵及研究基础,综述了流固耦合问题的国内外研究概况,介绍了调节阀流固耦合的特点,对在循环发电工程中大流量调节阀流固耦合亟待解决的问题进行了探讨。 针对大流量调节阀建立了流固耦合系统数学模型,采用流固耦合有限元数值计算方法,分析了调节阀结构振动的有限元方程和流体的有限元方程,探讨了大流量调节阀的流固耦合系统基本方程和边界条件；采用Galerkin有限元方法建立了调节阀与混合煤气流固耦合的有限元方程,采用模态分析法进行了动力响应分析；揭示了混合煤气与调节阀的耦合振动机理,并对阀芯进行了动态特性分析；建立了大流量调节阀低频噪声耦合数学模型,从而得到了符合设计要求的耦合振动和噪声的理论分析,为进一步展开流固耦合研究奠定了理论基础。 以大流量混合煤气压力调节阀为研究对象,将数值仿真方法应用于大流量调节阀流固耦合系统的研究中,探讨了流固耦合对大流量调节阀及其流场的影响。揭示了在不同工况下,基于流固耦合的大流量调节阀内混合煤气流场及速度矢量分布,研究了流体旋涡形成的原因、位置及其对调节阀振动产生的影响；探讨了流固耦合对流场压力及压力损失情况、流量及压力控制精度、气流脉动频率的影响。所建立的流固耦合仿真模型对提高模拟的精度以及分析结构的流激振动问题均有实际意义,得到的结果为大流量调节阀的优化设计、噪声研究和试验研究提供了理论指导。 在流固耦合的基础上对大流量调节阀流动特性和噪声进行了研究,得到了不同工况下的流量系数和流阻系数的数值以及噪声水平,绘制出大流量调节阀的实际工作流量特性曲线和流阻特性曲线,采用最小二乘参数辨识的方法建立了流阻系数随开度变化的控制模型,可以为大流量调节阀在较宽工况范围内的流动阻力实现良好的模拟和预测。仿真结果为大流量调节阀优化设计提供了结构和流场参数的量化数据,为理论分析提供了实验基础和理论依据,是降低结构噪声和进行结构优化设计的基础和必要措施。 为使大流量调节阀结构参数和流场参数达到最优,以结构、流场和噪声分析结果为设计准则,提出了大流量调节阀的多学科设计优化框架,实现了涉及到多学科、多物理场的大流量调节阀的建模、分析以及优化的一体化集成。以保证煤气输送能力为前提,在追求减小调节阀噪音的系统优化目标下,减小了调节阀的壁厚和流体速度,满足了雷诺数、应力强度和阀体总质量的要求,即优化后在降低噪音的同时,可以降低产品价格成本、使流动趋于稳定、并且提高调节阀疲劳强度。 分别对基于流固耦合的调节阀阀体和阀芯的动力学特性进行了分析,得到了流体对调节阀阀体和阀芯固有频率及振型的影响,并对其持续动力响应情况进行了探讨,从而能够判断调节阀在受到不同频率的载荷时能否成功地克服共振、疲劳,及其它受迫振动所引起的不良效果。 以调节阀模态分析和结构强度分析为基础,提出了针对大流量调节阀流固耦合系统的结构损伤识别方法,根据阀芯的固有频率的变化来判断损伤裂纹的出现,根据频率变化的多少确定裂纹的大小,从而能够快速有效的诊断出工作环境比较特殊的大流量调节阀内部阀杆的损伤情况,避免煤气泄漏以及阀的动作缓慢或不能正常调节等故障的发生。 通过试验方法,对大流量调节阀动力学模型的有效性和流固耦合数值仿真的可靠性进行了验证。结果表明所建立的调节阀动力学分析模型用于模态的研究具有较高精度,所建立的基于流固耦合的调节阀模型具有较高可靠性,并且对流量和压力的控制精度以及得到的流量系数和流阻系数要比不考虑流固耦合时的精度要高。 从流固耦合问题出发研究大流量混合煤气压力调节阀,提高调节阀的综合性能,实现调节阀在流固耦合作用下的结构优化设计,对于提高我国大流量调节阀的设计研究水平,推动钢厂的燃气-蒸汽联合循环发电工程的进一步发展具有重要的理论意义和工程实践价值。 本课题得到国家863高技术研究发展计划项目“钢厂循环发电工程中大流量煤气的智能优化控制及应用技术(2008AA04Z130)”和高等学校博士学科点专项科研基金资助项目“大流量高频响核电控制阀的多场耦合振动与泄漏自感知机理研究”(20110131110042)的支持。 【关键词】：大流量调节阀 流固耦合 流动特性 动力学特性 多学科设计优化
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH134
【目录】：

• 摘要11-14
• ABSTRACT14-17
• 第1章 绪论17-32
• 1.1 研究背景及意义17-19
• 1.2 流固耦合的研究综述19-25
• 1.2.1 流固耦合定义及特点19-20
• 1.2.2 流固耦合研究理论基础20-24
• 1.2.3 求解流固耦合问题的方式方法24-25
• 1.3 流固耦合的国内外研究概况25-30
• 1.3.1 国外流固耦合问题的研究概况25-27
• 1.3.2 国内流固耦合问题的研究概况27-29
• 1.3.3 调节阀流固耦合的特点与亟待解决的问题29-30
• 1.4 课题来源及主要研究内容30-32
• 第2章 大流量调节阀流固耦合理论分析32-55
• 2.1 调节阀流固耦合系统数学模型的建立32-43
• 2.1.1 调节阀流固耦合系统数学分析模型的建立33
• 2.1.2 调节阀流固耦合系统基本方程及边界条件33-39
• 2.1.3 用Galerkin法建立流固耦合有限元方程39-41
• 2.1.4 流固耦合系统的动力响应分析理论41-43
• 2.2 调节阀的动力学特性研究43-48
• 2.2.1 调节阀耦合振动机理研究43-46
• 2.2.2 调节阀动态数学模型的建立方法46-48
• 2.3 调节阀耦合噪声理论研究48-53
• 2.3.1 调节阀噪声产生原因分析48-52
• 2.3.2 调节阀耦合噪声数学模型的建立52-53
• 2.4 本章小结53-55
• 第3章 流固耦合对大流量调节阀及其流场的影响研究55-69
• 3.1 调节阀流固耦合系统数值仿真模型建模方法55-58
• 3.2 调节阀内混合煤气流场分布及速度矢量分析58-60
• 3.3 流固耦合对流场压力的影响60-63
• 3.4 流固耦合对流量及压力控制精度的影响63-66
• 3.4.1 流固耦合对流量控制精度的影响63-65
• 3.4.2 流固耦合对压力控制精度的影响65-66
• 3.5 流固耦合对气流脉动的影响66-68
• 3.6 本章小结68-69
• 第4章 基于流固耦合的大流量调节阀流动特性及噪声研究69-90
• 4.1 基于流固耦合的调节阀流量特性研究69-74
• 4.1.1 调节阀流量系数计算70-72
• 4.1.2 调节阀流量特性数值模拟分析72-74
• 4.2 基于流固耦合的调节阀气动阻力特性研究74-79
• 4.2.1 调节阀流阻系数计算75-76
• 4.2.2 调节阀流动阻力特性数值模拟分析76
• 4.2.3 调节阀流阻系数随开度变化的控制模型76-79
• 4.3 基于流固耦合的调节阀噪声研究79-82
• 4.4 大流量调节阀多学科设计优化82-88
• 4.4.1 设计问题描述及原始优化模型83-86
• 4.4.2 优化结果及分析86-88
• 4.5 本章小结88-90
• 第5章 基于流固耦合的大流量调节阀动力学特性研究90-113
• 5.1 调节阀流固耦合振动系统模型建模方法90-91
• 5.2 流体力分析91-93
• 5.3 基于流固耦合的调节阀阀体动力学特性分析93-101
• 5.3.1 流体对调节阀阀体固有频率的影响93-95
• 5.3.2 流体对调节阀阀体固有振型的影响95-97
• 5.3.3 调节阀阀体动力响应研究97-101
• 5.4 基于流固耦合的阀芯动力学特性分析101-108
• 5.4.1 流体对调节阀阀芯固有频率的影响101-104
• 5.4.2 流体对调节阀阀芯固有振型的影响104-106
• 5.4.3 调节阀阀芯动力响应研究106-108
• 5.5 调节阀阀芯结构损伤识别方法研究108-111
• 5.6 模态分析技术在大流量调节阀设计中的应用111-112
• 5.7 本章小结112-113
• 第6章 调节阀流固耦合系统的试验研究113-126
• 6.1 模态试验及仿真结果验证113-119
• 6.1.1 试验装置114-115
• 6.1.2 试验方案115-116
• 6.1.3 试验结果及仿真结果验证116-119
• 6.2 调节阀流固耦合试验研究及结果验证119-125
• 6.2.1 流量及压力测试试验120-122
• 6.2.2 调节阀流固耦合系统模型的建立122-123
• 6.2.3 调节阀模型压力及流量验证123-124
• 6.2.4 调节阀流量系数及流阻系数验证124-125
• 6.3 本章小结125-126
• 结论与展望126-129
• 参考文献129-139
• 致谢139-140
• 作者攻读博士学位期间发表学术论文及科研情况140-141
• 附录141-152
• 学位论文评闻及答辩情况表152

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

单座式调节阀阀芯-阀杆系统流固耦合振动研究    王雯;傅卫平;孔祥剑;马玉山;徐丽;

对夹式止回阀特性分析及结构优化    徐美林

可压缩流体渗流的流固耦合问题数值模拟研究    薛强,梁冰,李宏艳

基于多层动网格技术的流固耦合方法研究    张潇;王延荣;张小伟;裴伟;

流固耦合船舶舱室中低频噪声数值分析    刘晓明;王晓宇;陈慈慧;

汽轮机高压加热器进出水电动闸阀故障分析及处理    张方明,谢澄

调节阀动态特性的数值模拟    刘刚,方金春,雍歧卫

控制阀振动和噪声的防治    庞秀伟;郑红丽;

核级阀门抗震分析与研究    刘金梁;王忠诚;叶喜忠;

三维固流耦合相似模拟理论与方法    胡耀青;赵阳升;杨栋;

流固耦合问题的描述方法及分类简化准则    朱洪来;白象忠;

调节阀内部流场的数值模拟与试验分析    张伟政;俞树荣;张希恒;余建平;

基于瞬态模型的大流量调节阀故障监测与诊断方法的研究    张月蓉

大型压力调节阀的动态分析及故障检测研究    安延涛

一种新型电动球阀的数值模拟与实验研究    黎焱

基于ANSYS的流固耦合问题数值模拟    娄涛

压力调节阀的流场流动特性和流固耦合特性研究    潘永成

薄钢铺板对平台主梁变形影响的试验研究和分析    傅光耀;王浩;

组合肋壳几何非线性分析    常玉珍;吴敏哲;

剪力墙结构弹塑性分析的QR法Ⅱ——计算格式、程序及算例    王青;徐港;

地震作用下池壁厚度变化对水体晃动的影响    高辉;赵金城;尚春雨;

多弹簧梁柱单元在空间钢框架非线性分析中的应用    王开强;孙飞飞;胡大柱;

变截面工形柱平面内弹塑性极限承载力研究    王江;周晖;宋雪峰;

变截面门式刚架地震反应研究进展    高轩能;李琨;

自由度匹配技术在框架结构损伤识别中的应用研究    肖烨;陈剑毅;易萍华;

流固耦合作用下埋地管道的振动分析    郝婷玥;陈贵清;

非对称矩阵强特征值幂法运算收敛性分析    齐新安

地基平面沉降下的大型石油储罐模态分析    宫建国;陶钧;曾胜;金涛;

外压容器临界载荷特性研究    张应迁;石艳;唐克伦;刘明;

输流管流固耦合模态分析    文聘;叶红玲;刘海宏;

用最小二乘法与搜索法寻求A值与风速V关系的数学表达式    陈云生;

多重网格在二维泊松方程有限元分析中的应用    王青平;白武明;王洪亮;

考虑坝体与坝肩动力相互作用的坝肩稳定动接触降强算法    李同春;朱寿峰;赵兰浩;胡继刚;

基于虚拟裂缝模型的带横缝高拱坝的抗震性能研究    张汉云;张燎军;

势流体和Housner模型动力研究比较    丁晓唐;刘广;蒋勇;

热水供热管网分支用户极限流速的探讨——吉林省教育厅资助项目    石久胜;王浩;崔玖力;

列车空调风道用消声器的性能研究    谷敏杰;李绪泉;王刚;

车身概念设计智能CAE关键技术的研究    张红哲

近地/海运动过程中的空气动力学分析    顾璇

川西高原甘孜黄土记录的早更新世晚期以来的古气候变化    刘冬雁

高压直流输电系统可听噪声预测系统的研究    魏浩征

类菱形车转向系统研究与分析    查云飞

无限深透水地基上土石坝坝基渗流控制计算方法和防渗措施的研究    毛海涛

铝合金型材挤压的数值模拟及模具结构优化研究    潘健怡

变壁厚大锥度薄壁铝罐成形关键技术的研究    许兰贵

基于动力指纹的结构损伤识别可靠度方法研究    谭林

基于非先验函数系的信号识别    赵晓丹

大厚度电子束焊缝的超声检测及缺陷散射信号的研究    胡婷萍

框架结构轻钢加层的地震反应分析研究    马飞飞

泡沫铝复合结构声学性能分析与实验研究    丁晓

罗茨鼓风机低噪声结构与内流数值模拟研究    郭晓斌

起重机减速器变位斜齿轮副有限元仿真分析与研究    王权

纤维/颗粒—树脂基层合复合材料的吸声性能研究    石琢

加氢空冷系统氯化铵沉积机理及多场耦合数值模拟    裘杰

装载机差速器齿轮的非线性接触与疲劳寿命分析    夏云清

大直径人工挖孔扩底桩承载力试验研究与工程应用    王志宽

纤维增强聚合物复合材料力学性能的数值预测    辛栋

管道水击现象对止回阀设计的影响    丁海平

冯家山水库取水工程的水锤防护    杨玉思,张世昌,胡永龙,付林

起重机在特殊工况下的静刚度与动刚度安全性分析    张平,赵建林,王学军

止回阀水锤分析    王秀清 ,何三昱

对冲式止回阀原理及启闭特性分析    韩旭;周羽;

基于动网格和UDF技术的气缸动态特性研究    葛如海;王桃英;许栋;臧绫;

液压油缸圆柱形缓冲装置缓冲过程仿真与参数优化研究    高钦和;宋海洲;

舰用主汽轮机汽缸动刚度分析研究    郭绍静;杨志国;栾景雷;罗寅;张阿漫;

大型止回阀节能新技术研究    邹宪军;张桂香;田永建;陈鸿卫;

液压控制锥阀内流场的数值模拟与试验可视化研究    高殿荣,王益群,申功炘

前后压差对调节阀不平衡力的影响    康烨

提高转炉煤气回收量的途径    史翠毕;陈广言;黄琼玲;

粘性流体通过二维振荡圆柱的声辐射研究    刘晓宙,缪国平,唐春权,余志新,刘应中

船舶声呐部位自噪声的预报方法及其控制技术    俞孟萨,叶剑平,吴有生,吕世金

统计能量法计算声呐自噪声的水动力噪声分量    俞孟萨,李东升

自由空间中点涡粘性衰减过程中的声辐射及其频谱分析    高霄鹏,缪国平,尤云祥

关于船舶CFD的现状和一些认识    蔡荣泉

发动机机体缸盖冷却水CFD模拟计算与分析    杜佳正;黄荣华;王龙飞;薛赪;

液体晃动试验的数据处理方法    夏益霖

海底管线管跨段涡激振动响应的实验研究    余建星,罗延生,方华灿

水轮机部件流固耦合振动特性研究    谷朝红,姚熊亮,陈起富

混流式水轮机转轮动力特性分析及综合优化设计    王少波

船舶操纵相关粘性流及水动力计算    邱磊

基于模型的控制系统鲁棒故障诊断技术研究    姜云春

瓦斯监测系统故障智能诊断技术研究    王其军

基于贝叶斯网络的故障智能诊断方法研究    张德利

多源信息融合技术在火电厂热力系统故障诊断中的应用研究    韩晓娟

基于模型的故障诊断方法研究及在航天中的应用    邵继业

基于GEP的过程监测和化工过程安全运行智能辅助系统研究与开发    李秀喜

基于信息融合的汽油发动机电控系统故障诊断方法研究    张丽莉

混流式水轮机叶片流固耦合动力特性研究    陈香林

应用Fluent研究阀门内部流场    韩宁

调节阀内部流场的数值模拟及优化分析    张伟政

基于ANSYS的流固耦合问题数值模拟    娄涛

基于CFD技术的调节阀流动特性的研究    杨丽

基于CFD的调节阀内部流场的研究    李斌

压力调节阀的流场流动特性和流固耦合特性研究    潘永成

裂缝性油藏流固耦合渗流    黎水泉,徐秉业,段永刚

圆柱壳结构入水过程的流固耦合仿真与试验    李飞;孙凌玉;张广越;康宁;

采用变换坐标系法推导坝库系统流固耦合矩阵    王国辉;柴军瑞;曹境英;张胜利;

探讨流固耦合分析方法    曾娜;郭小刚;

基于多层动网格技术的流固耦合方法研究    张潇;王延荣;张小伟;裴伟;

基于流固耦合的叶片动力特性分析    周忠宁;李意民;谷勇霞;谢远森;孙婉;

流固耦合网格插值方法研究    汪学锋;李锋;周炜;冷文浩;汤家力;

基于流固耦合的不同液位储液罐静力分析    富尧;李可娇;葛春洲;

考虑流固耦合的多分支管道系统振动研究    柳贡民;李艳华;

三维移测架流固耦合动力学分析    王懿晨;杨志刚;李启良;

流固耦合力学研究与应用进展    崔尔杰;

平面圆形伞初始充气阶段的流固耦合研究    王从磊;任伟伟;孙建红;

柔性体涡诱导振荡的流固耦合模拟    王士召;何国威;张星;

单细胞受剪切流变的流固耦合数值模拟分析    王国斌;

流固耦合方程的建立及耦合数据传递    苏波;钱若军;

粘弹性蜻蜓型翼挥拍的流固耦合求解途径初探    鲍麟;余永亮;

输流管流固耦合模态分析    文聘;叶红玲;刘海宏;

基于双向流固耦合的中国铅基研究反应堆地震响应分析    张洋;柏云清;汪卫华;赵小敏;张学伟;FDS团队;

细胞通过微孔隙时的大变形流固耦合和表面切应力变化特征    刘乐;吴健康;

热流固耦合动态边界理论研究    王建省;董勤喜;

对旋轴流风机流固耦合特性研究及其基于非线性动力学的应用    周忠宁

膜结构风振流固耦合效应和风致雪压的理论分析及数值模拟研究    孙芳锦

水下柔性结构流固耦合动力效应研究    雷凡

油藏热流固耦合模型研究及应用初探    王自明

基于高阶有限差分法的管道瞬态特性研究    法特

大型渡槽的二维半流固耦合模型及其工程应用研究    高平

非线性板状结构流固耦合复杂响应研究    鲁丽

大型渡槽梁壳流固耦合动力模型及其工程应用研究    徐梦华

风力机叶片流固耦合数值模拟    李媛

柔性薄板流固耦合的数值研究    华如南

双向流固耦合两种计算方法的比较    吴云峰

基于ANSYS Workbench的流固耦合计算研究及工程应用    解元玉

流固耦合与接触冲击算法的研究及实现    刘磊

贮箱类流固耦合系统的动力学分析    徐晓贤

输流管道流固耦合振动特性分析    曹亮

基于ANSYS的流固耦合问题数值模拟    娄涛

流固耦合对水下结构声辐射影响研究    赵伟

结构入水问题的流固耦合仿真分析    陈福

带自由表面粘性流场与水下结构物动边界流固耦合的数值模拟    章程

多孔介质流固耦合与化力耦合问题的数值研究    刘宝胜