（机械制造及其自动化专业论文）压力调节阀的流场流动特性和流固耦合特性研究.pdf

at h e s i ss u b m i t t e dt os h a n d o n gu n i v e r s i t yf o r t h em a s t e rd e g r e e f l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c sa n df l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fp r e s s u r ec o n t r o lv a l v e b vp a ny o n g c h e n g ， 一一 c a n d i d a t e ：p a ny o n g c h e n g s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gy o n g s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s h a n d o n gu n i v e r s i t y a p r i l ，2 0 1 0 哪384川川-川97，iil 哪y 本人郑重 立进行研究所 包含任何其他 研究做出重要 完全意识到本 论文作者签名 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：磊未必鼙导师签名： 目录 目录 摘要l 第l 章绪论l 1 1 调节阀的研究背景及意义l 1 2 调节阀的研究现状和发展方向3 1 2 1 调节阀的类型及结构3 1 2 2 调节阀的发展历史4 1 2 3 现代工业对调节阀的发展要求。5 1 2 4 调节阀的发展方向6 1 3 流体动力学的应用发展7 1 3 1 流体动力学概述7 1 3 2 流固耦合力学概述8 1 4 课题的提出和主要研究内容9 第2 章计算流体动力学的基本理论。 1 l 2 1 流体的基本性质1 1 2 1 1 流体的定义和特征l l 2 1 2 流体的主要物理性质1 2 2 1 3 理想流体的假设1 4 2 1 4 作用在流体上的力1 5 2 2 流体动力学的基本原理和控制方程1 6 2 2 1 连续性方程16 2 2 2 运动方程17 2 2 3 能量方程l8 2 3 计算流体动力学的数值分析基础1 9 2 3 1 计算域的离散化1 9 2 3 2 计算域离散化方法2 0 2 3 3 计算流体动力学的求解步骤2 l 山东人学硕士学位论文 2 4 本章小结2 4 第3 章有限元模型的建立2 5 3 1 调节阀阀门的几何模型2 5 3 1 1 阀门的几何模型2 6 3 1 2 调节阀内部流体的几何模型2 6 3 2 计算域的网格划分2 7 3 2 1 网格工具i c e mc f d 的使用2 7 3 2 2 调节阀内部流体模型的网格划分2 8 3 2 3 阀体几何模型的网格划分3 2 3 3 初始条件和边界条件的设定3 3 3 3 1 初始条件的设定3 3 3 3 2 边界条件的设定3 3 3 4 本章小结3 4 第4 章调节阀内流场的定常流动分析。3 5 4 1 调节阀的定常流动模型3 5 4 1 1 调节阀的定常流动和理想流量特性3 5 4 1 2c f x 中流体c f d 分析步骤3 5 4 1 3 调节阀定常流动模型的定义3 5 4 2 定常流动的求解参数设定3 7 4 2 1 求解参数设定3 7 4 2 2 定常流动求解结果收敛分析3 7 4 3 定常流动结果分析3 7 4 3 1 调节阀定常流动可视化结果分析3 7 4 3 2 调节阀的理想流量特性曲线4 2 4 4 本章小结4 4 第5 章调节阀的流固耦合分析。4 5 5 1 流固耦合的数值求解方法4 5 5 1 1 调节阀的流固耦合作用4 5 目录 5 1 2 调节阀流固耦合的数值计算步骤4 5 5 2 计算模型的建立4 6 5 2 1 调节阀的无流固耦合瞬态流动计算模型4 7 5 2 2 调节阀的流固耦合瞬态流动计算模型4 8 5 3 无流固耦合作用的瞬态计算结果5 3 5 3 1 无耦合瞬态流动求解结果收敛分析5 3 5 3 2 无耦合瞬态流动的流速流线分析5 4 5 3 3 无耦合瞬态流动出口的压力波动5 5 5 4 流固耦合作用下的瞬态计算结果5 8 5 4 1 流固耦合作用下瞬态流动求解结果收敛分析5 8 5 4 2 流固耦合作用下瞬态流动的流速流线分析5 9 5 4 3 流固耦合作用下调节阀的受力分析6 2 o 5 5 本章小结6 8 结论与展望7 l 全文总结7 l 工作展望7 2 参考文献 ! i l l ：谢 7 7 硕士学位期间发表论文和参与课题7 9 c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fc o n t r o lv a l v e 1 1 2r e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n to f c o n t r o lv a l v e 3 1 2 1r y p ea n ds t r l j c t l l r eo fc o n t r o lv a l v e 3 1 2 2d e v e l o p m e n th i s t o r yo f c o n t r o lv a l v e 4 1 2 3r e q u i r e m e n to f c o n t r o lv a l v ei nm o d e mi n d u s t r y 5 1 2 4d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fc o n t r o lv a l v e 6 1 3a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to ff l u i dd y n a m i c s 7 1 3 1f l u i dd y n a m i c ss u m m a r y 8 1 3 2s u m m a r yo ff l u i d - s o l i di n t e r a c t i o nm e c h a n i c s 8 1 4p r e s e n ta n dm a i ns t u d yc o n t e n t so ft h es u b j e c t 9 c h a p t e r2b a s i ct h e o r yo fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 1 1 2 1b a s i cp r o p e r t i e so ff l u i d 11 2 1 1d e f i n i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ff l u i d 1 1 2 1 2m a i np h y s i c a lp r o p e r t i e so ff l u i d 12 2 1 3h y p o t h e s i so f i d e af l u i d 1 4 2 1 4t h ef o r c eo nt h ef l u i d 15 2 2b a s i cp r i n c i p l ea n dc o n t r o le q u a t i o n so ff l u i dd y n a m i c s 16 2 2 1t h ec o n t i n u i t ye q u a t i o n 16 2 2 2t h em o t i o ne q u a t i o n 17 2 2 3t h ee n e r g ye q u a t i o n 18 2 3n u m e r i c a la n a l y s i sf o u n d a t i o no fc f d 19 2 3 1d i s c r e t i z a t i o no fc o m p u t a t i o n a ld o m a i n 19 2 3 2d i s c r e t em e t h o do fc o m p u t a t i o n a ld o m a i n 2 0 2 3 3s o l u t i o np r o c e d u r eo f c f d 。2 l 2 4s u m m a r y 2 4 v 山东人学硕士学位论文 c h a p t e r 3f i n i t ee l e m e n tm o d e l s ：1 5 3 1g e o m e t r i cm o d e lo f t h ec o n t r o lv m v e 2 5 3 1 1g e o m e t r i cm o d e lo f t h ev 射v e 2 6 3 1 2f l u i dg e o m e t r i cm o d e lo f t h ec o n t r o lv a l v e 2 6 3 2m e s hg e n e r a t i o no f t h ec o m p u t a t i o n a ld o m a i n 2 7 3 2 1m e s ht o o li c e mc f d 2 7 3 2 2m e s hg e n e r a t i o no ft h ei n n e rf l u i d 2 8 3 2 3m e s hg e n e r a t i o no f t h ev a l v e 3 2 ：；3i n i t i a la n db o u n d a r yc o n d i t i o n s 3 3 ：；：；1i n i t i a lc o n d i t i o n s 3 3 ：；：；2b o u n d a r yc o n d i t i o n s 3 3 ：；4s u m m a r y 3 4 c h a p t e r4i n n e rf l u i ds t e a d yf l o wa n a l y s i so ft h ec o n t r o lv a l v e 3 5 4 1s t e a d yf l o wm o d e l j ：；! ； 4 1 1s t e a d yf l o wa n di d e af l o wc h a r a c t e r i s t i c 3 5 4 1 2p r o c e d u r eo fc f di nc f x 3 5 4 1 3d e f i n i t i o no f t h es t e a d yf l o wi nc o n t r o lv a l v e 3 5 4 2s o l v ep a r a m e t e r si nt h es t e a d yf l o wm o d e l 3 7 4 2 1d e f i n es o l v ep a r a m e t e r s 3 7 4 2 2c o n v e r g e n c ea n a l y s i so ft h es t e a d yf l o w 3 7 4 3r e s u l t sa n a l y s i so f t h es t e a d yf l o w 3 7 4 3 1v i s u a l i z a t i o na n a l y s i so f t h es t e a d yf l o wr e s u l t s 3 7 4 3 2i d e af l o wc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ft h ec o n t r o lv a l v e 4 2 4 4s u m m a r y 4 4 c h a p t e r5f s ia n a l y s i so ft h ec o n t r o lv a l v e 4 1 ； 5 1n u m e r i c a ls o l u t i o nm e t h o do ff s ie 仃e c t 4 5 5 1 1f s ie f f e c to f t h ec o n t r o lv a l v e 4 5 5 1 2n u m e r i c a la n a l y s i sp r o c e d u r eo ff s ie f i e c ti nt h ec o n t r o l v e 一4 5 v i c o n t e n t s 5 2c o m p u t a t i o n a lm o d e l 4 6 5 2 1t r a n s i e n tf l o wc o m p u t a t i o n a lm o d e lo ft h ec o n t r o lv a l v ei nn o n - f s i s i t u a t i o n 4 7 5 2 2t r a n s i e n tf l o wc o m p u t a t i o n a lm o d e lo ft h ec o n t r o lv a l v ei nf s i s i t u a t i o n z 1 8 5 3t r a n s i e n tf l o wr e s u l t si nn o n f s is i t u a t i o n 5 3 5 3 1c o n v e r g e n c ea n a l y s i si nt h en o n - f s if l o w 5 3 5 3 2v e l o c i t ys t r e a m l i n e si nt h en o n - f s it r a n s i e n tf l o w 一5 4 5 3 3p r e s s u r ef l u c t u a t i o na tt h eo u t l e ti nt h en o n f s it r a n s i e n tf l o w 5 5 5 4t r a n s i e n tf l o wr e s u l t si nt h ef s is i t u a t i o n 5 8 5 4 1c o n v e r g e n c ea n a l y s i si nt h ef s is i t u a t i o no ft h et r a n s i e n tf l o w 5 8 5 4 2v e l o c i t ys t r e a m l i n e si nt h ef s if l o w 5 9 5 4 3p r e s s u r ef l u c t u a t i o na tt h eo u t l e ti nt h ef s if l o w 6 2 5 4 4f o r c eo f t h ec o n t r o lv a l v ei nt h ef s it r a n s i e n tf l o w 6 3 5 5s u m m a r y 6 9 c o n c l u s i o n sa n de x p e c t a t i o n s 7 1 c o n c l u s i o n s 7 1 e x p e c t a t i o n s 7 3 r e f e r e n c e s a c k n o w l e d g e m e n t s p a p e 璐a n dt o p i c sd u r i n gs t u d y f o rm a s t e rd e g r e e 7 7 v 摘要 摘要 调节阀是自动化技术中最常见的执行元件之一，广泛应用于石油、天然气、 化工、电力、冶金等工业部门，是自动化系统中必不可少的重要环节。现代工业 对调节阀的使用要求越来越高，不仅要求通过调节阀的流体严格满足压力、流量、 温度等条件，同时也更注重流体经过调节阀时的流动特性。传统上工程人员主要 利用经验公式推算出调节阀的流量特性来选择合适的调节阀，并未考虑流体经过 调节阀时流场变量的分布和变化情况。本文采用计算流体动力学方法建立了某调 节阀的内部流体及阀体仿真模型，全面分析了调节阀内部流场的定常流动特性、 瞬态流动特性和考虑流固耦合作用的瞬态流动特性。 首先，利用c a d 技术建立了基于p r o e 的调节阀内部流体区域和调节阀阀 体部分的几何模型。为了减小计算规模，便于数值分析，对模型进行合理的假设 和简化，忽略内部倒角和外部法兰盘螺栓孔，假定调节阀是整体件并对其进行前 后对称简化。然后，采用网格工具i c e mc f d 对流体模型进行网格划分，得到了 包含四面体和六面体的调节阀内部流体混合网格模型。 其次，建立了不同开度下调节阀内部流场的定常流动仿真模型，分别求解了 各开度下调节阀前后压差为1 m p a 时流场的定常流动。对计算结果进行了可视化 分析，从对称面及阀体壁面处的压力等值线和流场流速流线等方面分析了调节阀 内部流场的流动特性，得到了各开度下出口处的质量流量，分析了调节阀的理想 流量特性。结果表明调节阀在流动过程中内流场的流通面积越小，节流作用越明 显，相应的压力也越小，同时流动速度越高。节流处湍流易发展变化，流体流动 变化剧烈，流动阻力较大。调节阀阀芯为带平衡腔的平板型时，调节阀的流量特 性为快开特性，其打开过程能够快速增大流量，在开度1 0 时，流量百分比就能 够达到5 0 以上，能够更好地满足其快速启闭和响应的要求。 最后，对无耦合和流固耦合作用下的调节阀瞬态流动进行了分析。建立了时 间0 1 s ，入口压力正弦波动的无耦合和流固耦合瞬态流动仿真模型。抽取不同时 间子步的流场和结构场结果，得到了这些时间子步的压力等值线和流速流线图。 分析了这两组不同模型调节阀的瞬态流动特性，得到了时问历程的出口处平均压 山东大学硕上学位论文 力曲线。同时，对流固耦合作用下调节阀瞬态流动模型中流体对调节阀产生的应 力和变形进行了研究，调节阀在0 1 s 内受流体影响产生了不同的变形和应力。对 比无耦合和流固耦合瞬态流动结果发现，流固耦合作用使调节阀内流体流动更易 于向湍流发展，流速更快，出口处流体压力波动明显大于无耦合的瞬态流动。 本课题研究有助于优化调节阀流动性能，稳定阀门出口压力，对提高我国调 节阀设计研究水平具有积极的意义。 关键词：调节阀；计算流体动力学：流固耦合；流量特性 本课题得到国家“8 6 3 ”高技术研究发展计划项目“钢厂循环发电工程中人流量煤气的智能 优化控制与应用2 0 0 8 a a 0 4 2 1 3 0 ) ”支持。 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h em o s tc o m m o na c t u a t o r , t h ec o n t r o lv a l v ei sw i d e l yu s e di np e t r o l e u m ， n a t u r a lg a s ，c h e m i c a l ，e l e c t r i cp o w e r , m e t a l l u r g ya n do t h e rv a r i o u si n d u s t r i a ls e c t o r s i t i st h ee s s e n t i a lp a r ti ni n d u s t r i a la u t o m a t i o ns y s t e m a sm o d e mi n d u s t r yg o th i g h e r d e m a n d so nt h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o lv a l v e s ，n o to n l yt h ep r e s s u r e ，t h ef l o w , t h e t e m p e r a t u r ea n do t h e rc o n d i t i o n so ft h ef l u i dm u s tb em e t t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h e 一 。 c o n t r o lv a l v ea r ep a i dm o r ea t t e n t i o n t r a d i t i o n a l l y , e n g i n e e r sm a i n l yc h o o s ear i g h t v a l v eb y c a l c u l a t i n g t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c s 、析t l lt h ee m p i r i c a lf o r m u l a s t h e d i s t r i b u t i o na n dv a r i a t i o no ft h ef l u i df i e l dv a r i a b l e sa r en o tc o n s i d e r e d i nt h i sp a p e r , 、析t ht h em e t h o do fc f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) ，a ni n n e rf l u i ds i m u l a t i o n m o d e lo ft h ec o n t r o lv a l v ei se s t a b l i s h e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t e a d yf l o w , t h e t r a n s i e n tf l o wa n dt h et r a n s i e n tf l o wi nt h ef s l ( f l u i d - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ) s i t u a t i o na r e c o m p r e h e n s i v e 锄a l y z e d f i r s t l y , a ni n n e rf l u i dr e g i o na n dac o n t r o lv a l v eg e o m e t r i cm o d e la r ee s t a b l i s h e d 、i t ht h ec a d t e c h n o l o g yb a s e do np r o e i no r d e rt or e d u c et h ec o m p u t a t i o n a ls c a l e a n df i tt h en u m e r i c a la n a l y s i s ，s o m er e a s o n a b l es i m p l i f i c a t i o n sa n da s s u m p t i o n sa r e c a r r i e dt ot h em o d e l t h ei n s i d ec h a m f e r sa n do u t s i d ef l a n g eb o l th o l e sa r ei g n o r e d t h e c o n t r o lv a l v e ，w h i c hi sa s s u m e daw h o l e - p a r t ，i ss i m p l i f i e db yr e d u c i n gt h es y m m e t r y h a l f t h e n ，t h ef l u i dm o d e li sm e s h e dw i t hi c e mc f dw h i c hi sap o w e r f u lm e s ht 0 0 1 a f t e rt h ep r e v i o u sw o k ，t h ei n n e rf l u i dm e s hm o d e l w h i c hc o n t a i n ss o m et e t r a h e d r a la n d h e x a h e d r a le l e m e n t si sg o t s e c o n d l y , t h ei n n e rs t e a d yf l o ws i m u l a t i o nm o d e lo ft h ef l o wf i e l d i nd i f f e r e n t o p e n i n gi se s t a b l i s h e d t h em o d e l si nv a r i o u so p e n i n gw i t him p a d i f f e r e n t i a lp r e s s u r e b e t w e e nt h ei n l e ta n do u t l e ta r es o l v e d t h ev i s u a l i z a t i o na n a l y s i sh a sb e e nc a r r i e dt ot h e c o m p u t e dr e s u l t s t h ef l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c sc a nb eg o tf r o mt h ep r e s s u r ec o n t o u r sa n d t h ev e l o c i t ys t r e a m l i n e so ft h es y m m e t r yf a c ea n dt h ev a l v ew a l l t h em a s sf l o wo ft h e o u t l e ti nv a r i o u so p e n i n gi sa l s og o t ，w h i c hc a nc o n c l u d et h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h e 山东人学硕士学位论文 v a l v e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec i r c u l a t i o na r e ai ss m a l l e r ；t h ec h o k i n ge f f e c ti sm o r e s i g n i f i c a n t a sar e s u l t ，t h ep r e s s u r ew i l lb eb r o u g h td o w n ；s i m u l t a n e o u s l yt h ef l o wr a t e w i l lb ei n c r e a s e d a tt h et h r o t t l eo ft h ev a l v e ，t h ef l u i di se a s i e rt od e v e l o pt ot u r b u l e n t f l o wa n dt h ef l o wr e s i s t a n c ep r e s s u r ei sl a r g e r w h e nt h ev a l v ec o r ei saf l a t - b o t t o m e d w i t hab a l a n c ec h a m b e r , t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i co ft h ev a l v ei saq u i c k o p e n i n gt y p e t h ef l o wo ft h ev a l v ew i l l q u i c k l yi n c r e a s ed u r i n gt h eo p e n i n gp r o c e s s t h ef l o w p e r c e n t a g ec a nb ea c h i e v ea b o v e5 0 w h e nt h eo p e n i n gi sa b o u t2 0 ，w h i c hi s c o n s i s t e n tw i t ht h er a p i do p e n i n ga n dr e s p o n d i n gr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , t h et r a n s i e n tf l o w si nn o n f s is i t u a t i o na n di nf s is i t u a t i o na r ea n a l y z e d t h et r a n s i e n tm o d e l sw i t has i n u s o i d a li n l e tp r e s s u r ei no 1sa r es o l v e d t h ef l o wf i e l d a n dt h es t r u c t u r ef i e l dr e s u l t si nd i f f e r e n tt i m es t e p sa r ea b s t r a c t e d t h ep r e s s u r e c o n t o u r sa n dt h ev e l o c i t ys t r e a m l i n e si nt h e s et i m es t e p sa r eg o t t h et r a n s i e n tf l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c sa lea n a l y z e da n dt h ea v e r a g et i m e h i s t o r yo u t p u tp r e s s u r ec u r v e sa r e o b s e r v e d i na d d i t i o n ，t h es t r e s s e sa n dd e f o r m a t i o n so ft h ev a l v ei nt h ef s is i t u a t i o na r e 4 1 1 a n a l y z e d t h ec o n t r o lv a l v eg o td i f f e r e n td e f o r m a t i o n sa n ds t r e s s e su n d e rt h ef l u i d e f f e c t sd u r i n gt h e0 1st i m e c o n t r a s tt h er e s u l t so ft h en o n f s im o d e l sa n dt h ef s i m o d e l s ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ef s ie f f e c tm a k e st h ef l u i db ep r o n et ot u r b u l e n t a n db e i n gf a s t t h eo u t p u tp r e s s u r ef l u c t u a t i o n si nt h ef s is i t u a t i o na r em u c hg r e a t e r t h a nt h en o n f s is i t u a t i o n t h es u b j e c th a sp o s i t i v em e a n i n gi no p t i m i z i n gt h ef l o wp r o p e r t i e sa n ds t a b i l i z i n g t h eo u t l e tp r e s s u r e ，w h i c hc a ni m p r o v et h ed e s i g na n dr e s e a r c hl e v e lo ft h ed o m e s t i c c o n t r o lv a l v e k e y w o r d s ：c o n t r o lv a l v e ；c f d ；f s i ；f l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 调节阀的研究背景及意义 调节阀用于调节操纵变量，是自动化技术中最常见的执行元件之一，广泛应 用于石油、天然气、化工、电力、冶金等各个工业部门，是工业自动化系统中必 不可少的重要环节【l 】。调节阀主要由执行机构和阀门组成，通过将执行机构的输 出位移变化转换为调节阀阀芯和阀座间流通面积的变化来改变流体流量，最终实 现工业控制的目的1 2 j 。 在实现工业自动化过程中，调节阀在很多领域内对自动化系统良好的控制性 能，正常生产活动的有序进行都起着非常关键的作用。以炼钢行业中炼钢产生的 墨 混合煤气联合循环发电工程为例，循环发电机组在发电过程需要燃烧大量煤气且 对煤气的压力稳定性要求较高。这些煤气在炼钢炉和发电机组间是以大口径管道 来进行输运的，这些管路中就采用很多调节阀进行流量和压力的控制。 随着我国经济社会的快速发展，资源消耗也急剧增长，能源供需矛盾日渐突 出。过去几乎所有钢厂在生产过程中产生的大量的