（机械制造及其自动化专业论文）控制阀流固耦合特性的研究.pdf

摘要 摘要 控制阀的发展与工业生产过程的发展密切相关 随着一些大型石油化工企业 核电站等工业项目的进行 稳压问题越来越受到人们的重视 由于技术 安全和 成本等原因 稳压技术目前大多采用气动压力控制阀实现 但往往得不到预期的 效果 这就要求我们开发高性能的压力控制阀 使阀前阀后压力稳定 本文首先提出了一种以a n s y sw o r k b e n c h 为分析平台 在a n s y sc f x 中进 行流场分析 结果以 体载荷 的形式施加到结构上从而完成流固耦合分析的方法 即利用a n s y s 耦合场分析中的顺序耦合方法 通过把第一次场分析的结果作为第 二次场分析的载荷来实现两种场的耦合 其次 基于三维实体造型软件p r o e 建 立了控制阀的几何模型 采用上面所介绍的流固耦合分析方法 对大型压力控制 阀进行了分析 该方法是在a n s y sc f x 中对阀内部流场进行流体动力学分析 分析的结果文件在a n s y sw o r k b e n c h 中以 体载荷 的形式施加到阀芯上 从而完 成了对控制阀的流固耦合分析 控制阀流量特性影响控制系统的控制品质 控制阀流量特性选择不合适 会 使控制系统运行不稳定 压力出现波动 合理选择控制阀流量特性有利于混合煤 气的稳压 控制阀的流量特性与控制阀两端压降有关 因此研究影响控制阀压降 的因素有重要意义 从节能方面考虑 控制阀能在两端小压降的工况下运行有利 于系统能量的充分利用 因此本文对影响控制阀压降的因素进行了研究 通过对 控制阀进行动态性能分析初步得到 控制阀的阀芯结构 接管直径与控制阀公称 通径之比都对控制阀阀前阀后压降有影响 本文的分析为阀体的最终定型提供了可靠的依据 具有实践意义 实现大流 山东大学硕士学位论文 量煤气压力的稳压是循环发电工程的一个关键技术问题 开发高性能的压力控制 阀 研究适合大流量混合煤气的稳压技术具有重要的生产实际意义 课题实施有 助于提高钢厂利用废气发电的效率 降低钢厂的总体能耗和物耗 提高钢厂生产 过程中的经济效益 而且符合国家节能减排 发展循环经济的政策 因而具有良 好的社会效益 本课题得到高技术研究发展计划8 6 3 2 0 0 8 a a 0 4 2 1 3 0 的支持 关键词 控制阀 阀芯型线 a n s y s 流固耦合 x a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o lv a l v ei s c l o s e l yr e l a t e d 析t l lt h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r i a lp r o d u c t i o np r o c e s s a l o n gw i t hs o m el a r g e s c a l ec h e m i c a li n d u s t r ye n t e r p r i s e a n dn u c l e a rp o w e rs t a t i o ng o i n g t h eq u e s t i o no fc o n s t a n tv o l t a g ec a t c h e sm o r ea n d m o r ep e o p l e se y e s c o n s i d e r i n g 淅t 1 1t h et e c h n o l o g y s a f ea n dc o s t t h et e c h n o l o g yo f c o n s t a n tv o l t a g ei sm o r er e a l i z e db ya e r o d y n a m i cp r e s s u r ec o n t r o lv a l v e b u ti tu s e dn o t t og e tt h ed e s i r e de f f e c t s ow es h o u l dd e v e l o ph i 曲p e r f o r m a n c ep r e s s u r ev a l v e st og e t t h es i m i l a rp r e s s u r ew h e nt h ef l u i df l o w sb yt h ev a l v e t h i sa r t i c l ef i r s tp r o p o s e sam e t h o dw h i c ht a k e sa n s y sw o r k b e n c ha sa p l a t f o r m c a r r i e so nt h ef l o wf i e l da n a l y s i si na n s y s c f x a n dt h er e s u l te x e r t si nt h es t r u c t u r e b y t h eb o d yl o a d f o r mc o m p l e t i n gt h ef i u i d s t r u c m r ei n t e r a c t i o n u s et h eo r d e r c o u p l i n gm e t h o di nt h ea n s y sc o u p l e df i e l d s t h e nt a k et h ef i r s tf i e l da n a l y s i s sr e s u l t a st h es e c o n df i e l da n a l y s i s sl o a d n e x t e s t a b l i s ht h eg e o m e t r ym o d e lo ft h ec o n t r o l v a l v e si nt h e3 ds o l i dm o d e l i n gs o f t w a r ep r o e a n du s et h ea b o v em e t h o dt oa n s y s t h el a r g e s c a l ep r e s s u r ec o n t r o lv a l v e s u s et h i sm e t h o dt od ot h eh y d r o d y n a m i c a n a l y s i sf o rt h ev a l v ei n t e r i o rf l o wf i e l d 谢t l la n s y sc f x a n dt h ea n a l y s i sr e s u l t d o c u m e n ti se x e r t e do nt h ev a l v ec o r ei na y s y sw o r k b e n c hb y t h eb o d yl o a d f o r m c o m p l e t i n gt h ef i u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o na n a l y s i so ft h ec o n t r o lv a l v e c o n t r o lv a l v ef l o wc h a r a c t e r i s t i c si n f l u e n c et h eq u a l i t yc o n t r o ls y s t e m w h e nt h e c o n t r o lv a l v ef l o wc h a r a c t e r i s t i cc h o i c ei si n a p p r o p r i a t e w i l lc a u s ec o n t r o ls y s t e mr u n u n s t a b l ea n dt h ep r e s s u r ew i l lp r e s e n tt h ef l u c t u a t i o n r e a s o n a b l ec h o i c eo fc o n t r o l v a l v ef l o wc h a r a c t e r i s t i ci s a d v a n t a g e o u st ot h ec o m b i n a t i o ng a sc o n s t a n tv o l t a g e c o n t r o lv a l v e sf l o wc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n t r o lv a l v eb o t hs i d e sp r e s s u r ed r o pr e l a t e d x i 山东大学硕十学位论文 t h e r e f o r et h er e s e a r c ho ni n f l u e n c ec o n t r o lv a l v e p r e s s u r ed r o p sf a c t o rh a st h ei m p o r t a n t m e a n i n g c o n s i d e r e df r o mt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o na s p e c tt h a tt h ec o n t r o lv a l v em o v e s u n d e rt h es a t i s f i e do p e r a t i n gm o d ec o n d i t i o n sb o t hs i d e ss m a l lp r e s s u r ed r o p i s a d v a n t a g e o u st ot h ee n e r g yf u l lu s e t h e r e f o r et h ea r t i c l es t u d i e dt h ef a c t o rw h i c h i n f l u e n c e st h ec o n t r o lv a l v ep r e s s u r ed r o p b yd o i n gt h ed y n a m i cp r o p e r t ya n a l y s i st o t h ec o n t r o lv a l v ew ec a l lg e t c o n t r o lv a l v e sr a t i oo fv a l v ec o r es t r u c t u r e t h et u b e d i a m e t e ra n dt h ec o n t r o lv a l v e sn o m i n a ls i z ea l lh a v ei n f l u e n c et ot h ep r e s s u r ed r o po f t h ec o n t r o lv a l v e t h i sa r t i c l ea n a l y s i sp r o v i d e st h er e l i a b l eb a s i sf o rt h eb o d ys t y l i n g a n di th a st h e p r a c t i c es i g n i f i c a n c e l a r g ef l o wo fg a sp r e s s u r er e g u l a t o ri so n eo fk e yg e n e r a t i o n e n g i n e e r i n gt e c h n i c a lp r o b l e m s t h ed e v e l o p m e n to fh i g hp e r f o r m a n c ep r e s s u r ev a l v e t h er e s e a r c hs u i t st h el a r g ef l o wc o a lg a st h ep r e s s u r es t a b l et e c h n o l o g yt oh a v et h e i m p o r t a n tp r o d u c t i o np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i ft h es u b j e c ti sp u ti n t op r a c t i c e i tw i l l h e l pt h es t e e lf a c t o r yt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h eu s eo fe m i s s i o n su s e dt op o w e r g e n e r a t i o n t ol o w t h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h ec o n s u m p t i o no fg o o d sa n dm a t e r i a l s a n dt oi m p r o v et h ee c o n o m i cb e n e f i t so ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s w h a t sm o r e i ts u i t st o t h eg o v e r n m e n t sp o l i c yt h a tw es h o u l ds a v ee n e r g y r e d u c et h ee m i s s i o n a n dd e v e l o p t h ec i r c u l a re c o n o m y s oi th a sg o o ds o c i a le f f i c i e n c y t h i st o p i co b t a i n st h eh i g h t e c hr e s e a r c hd e v e l o p m e n tp l a n8 6 3 2 0 0 8 a a 0 4 2 1 3 0 s u p p o r t k e y w o r d s c o n t r o lv a l v e p l u gm o l d e dl i n e s a n s y s f l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n x i i 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不 包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 4 驻翠霍二 一 日期 上啤 t 皇一 关于学位论文使用授权的说明 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 崮翠隆 导师签名 日期 工 夕 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 高性能压力控制阀研究背景及意义 能源是国民经济的基础和命脉 能源供应充足是保障经济持续快速健康发展 的一个重要条件 为中国的经济和社会发展提供更多的能源 满足不断增加的能 源需求 提高对广大人民的能源服务水平 仍然是中国能源问题面临的长期挑战 钢厂在生产过程中产生了大量的焦炉和高炉煤气 许多没有加以充分利用 燃烧后就直接排入大气 俗称 点天灯 根据国家对国内主要钢铁企业的调研分 析 高炉煤气放散率1 0 2 4 8 8 焦炉煤气放散率1 0 2 3 3 1 许多企业 基本没有回收转炉煤气 l 每年白白烧掉的焦炉煤气高达3 0 0 多亿立方米 相当 于国家 西气东输 设计年输气量1 2 0 亿立方米的2 倍多 由此造成的经济损失 价值达数百亿元 钢厂利用废气发电 发展循环经济 对于节约资源 保护环境 促进能源节约与资源综合利用 减少环境污染 提高经济增长的质量和效益 保 障国民济经济持续 快速 健康发展 具有重要的作用 2 1 1 3 1 济南钢铁股份公司和通化钢铁公司是国内最早利用焦炉和高炉煤气实施发电 工程 并已投入生产的公司 目前邯钢 宝钢 鞍钢 太钢 包钢等数家钢铁集 团也已开始实施循环发电工程 4 1 济钢和通钢的实践均表明 由于燃机负荷和热值 变化 管道喘流 水锤效应 大的压力差 气穴等 送往燃气轮机的煤气会不可 避免的产生波动 这是影响正常发电的一个重要因素 普通大型气动压力控制阀 由于动态响应慢 滞后等原因 实现压力稳定是十分困难的 如何实现煤气压力 稳定 实现快速响应是钢厂循环发电工程的共性问题 5 1 流动稳定性研究在许多行 业都具有指导意义1 6 在济钢 由于压力不稳定 导致发电设备不正常停机 不但对电网造成冲击 而且影响机组的发电 目前 济钢循环发电厂发电系统共8 套 装机设计年总发 电量3 1 3 亿度 发电机组少停机一天 即可多创造效益4 2 8 万元 据济钢公开的 资料 济钢一期2 套发电机组装机容量为1 3 6 万千瓦 设计年发电量7 6 亿度 去年实际发电6 4 5 亿度 低于设计年发电量1 1 5 亿度 价值0 5 8 亿元 机组1 5 山东大学硕十学何论文 的发电潜力不能发挥 此外 发电设备在停机启动时 首先需柴油启动燃机 由 于发电设备的异常停机 每年还需要为此额外燃烧千余吨柴油 价值1 0 0 0 余万元 压力不稳定是导致发电设备停机的重要原因和隐患 据调查 通钢循环发电工程 情况更不理想 基本没有正常发电 目前 邯钢 宝钢 鞍钢 太钢 包钢等数家钢铁集团也己开始实施煤气循 环发电工程 7 1 济钢和通钢的实践均表明 送往燃气轮机的煤气产生波动 是影响 正常发电的一个重要因素 越来越多的学者开始关注这个问题 8 开发高性能的压 力控制阀具有重要的生产实际意义 1 2 控制阀的研究现状和发展方向 1 2 1 控制阀的功能和结构 控制阀是阀门的一种 9 1 是将执行机构的输出位移变化转换为控制阀阀芯和阀 座间流通面积变化的装置 是过程控制系统中用动力操作去改变流体流量的装置 阀有不同的类型 按结构分类 阀分为直通单座阀 直通双座阀 三通阀 角形阀 高压阀 隔膜阀 套筒阀 球阀 偏心旋转阀 闸阀和蝶阀等 按流量 特性 阀分为线性阀 等百分比阀和快开阀等 按阀芯的形式 阀分为直行程和 角行程阀芯等 从结构看 阀由阀体 阀内件 上阀盖组件 下阀盖等组成 阀体是被控流 体流过的设备 它用于连接管道和实现流体通路 并提供阀座等阀内件的支撑 阀内件是在阀内部直接与被控介质接触的组件 包括阀芯 阀座 阀杆 导向套 套筒 密封环等 阀芯是阀内最为关键的零件 为了适应不同的需要 得到不同 的阀门特性 阀芯的结构形状是多样的 l o 通常 上阀盖组件包括上阀盖 填料 腔 填料 上盖板和连接螺栓等 在一些调节机构中下阀盖作为阀体的一部分 并不分离 下阀盖用于带底导向的调节机构 他包括下阀盖 导向套和排放螺丝 等 为安装和维护方便 一些调节机构的上阀盖和阀体合一 而下阀盖与阀体分 离 称为阀体分离型阀 1 1 1 控制阀部分结构示意图如图1 1 所示 2 1 2 2 控制阀的发展历史与现状 图卜1 控制阎阀体部分示意倒 控制阀的发展与工业生产过程控制的发展同步进行 远古时代 人们为了阻 止水的流动或改变水的流动方向就采用大石头或树干进行调节 1 8 8 0 年 费希尔 制造了泵调节器 它是一种带重锤的自力式控制阀 其最原始的结构是一种带重 锤的球型阀 上世纪3 0 年代 己经出现多种类型的控制阀 其中以阀体形状为球 形的球型阀为代表性产品 到了4 0 年代 适用于高压介质的角形阀 用于大流量 的蝶阀 用于腐蚀性介质的隔膜阀等相继出现 先后在市场上占据主导地位 6 0 年代后出现的适用于大压降和低噪声的套筒阀以其较大的优势成为球型阀的主流 产品 7 0 年代出现了偏心旋转阀 它具有流通能力丈 密封性能好等优点 是角 行程阀门的位使者 到了8 0 年代 人们又推出了具有划时代意义的多弹簧气动薄 膜控制阀 该产品的特点是体积小 重量轻 流通能力大 深受市场的青睐 9 0 年代后 随着计算机控制装置的广泛应用 智能式电动执行机构及智能式定位器 成功研制 智能电气阀门定位器和带智能阀门定位器的现场总线控制阔随之出现 为控制阀的发展翻开了崭新的一页 国外研究控制阀的例子有 莫斯科动力学院 对调节阀的可靠性和全开时的阻力等问题进行了理论分析和实验研究 法国机械 研究技术中心的燃气轮机实验室对汽轮机调节阀中产生的不稳定现象进行过 元 可视化和二元承模拟实验 日本的东芝公司进行过调节阀的二元可视化实验 但 由于实际阀门的形状是轴对称三元的 所以二元实验的结论用于实际时是有所保 留的 在高性能调节阀方面 最先进技术包括美国的f i s h e r 公司 日本工装 k o s o 山东大学硕十学佗论文 株式会社和山武株式会社等 我国的控制阀生产行业起步较晚 2 0 世纪6 0 年代 主要是仿制前苏联的产品 7 0 年代开始 一些大型石油化工企业开始引进一些控制阀 例如带平衡阀芯的套 筒阀 偏心旋转阀等 8 0 年代开始 随着改革开放 一些控制阀制造厂引进了国 外著名控制阀厂商的技术和产品 使我国控制阀产品的品种和质量得到明显提高 9 0 年代开始 在引进和消化国外的先进技术后 我国的控制阀工业飞速发展 一 些合资和外资的控制阀生产厂相继生产出有特色的产品 使我国控制阀工业的水 平大大提高 缩短了与国外的差距 近年 随着现场总线技术的应用 国外已开 发出采用现场总线技术的控制阀产品 国内一些新建工程中己开始引进此类产品 中国阀门制造企业引进国外先进技术比较成功的有 开封高压阀门有限公司 拥有 高温高压电站阀门技术 大连大高阀门有限公司 拥有双金属疏水阀制造技术 上海阀门厂的安全阀技术 上海耐莱斯詹姆斯伯雷阀门有限公司的球阀先进技术 自贡高压阀门有限公司的管线球阀生产技术 南京工业大学 以典型的柱塞调节 阀为研究对象 利用a n s y s 软件对不同结构的阀芯构成的阀道建立流动分析模型 但仅对二维模型进行了分析 结果不够精确 1 2 3 现代工业对控制阀的要求 先进的现代化工业是以生产自动化为标志的 随着现代化工业的大规模发展 对工业品的要求也越来越高 范围也越来越广 对新型控制阀涉及的基本要求有 1 在控制过程中 控制阀需要不断改变节流件的流通面积 以适应负荷变 化或操作条件的改变 对控制阀阀组件的密封 耐压 腐蚀等要求高 2 控制阀的活动部件是造成 跑 冒 滴 漏 的主要原因 它不 仅造成物料的浪费 也污染环境 引发事故 因此活动部件应设计合理 3 控制阀对流体进行节流的同时也产生噪声 当阀出口压力低于液体的蒸 汽压力时 造成闪蒸 当阀下游压力高于液体蒸汽压力时 造成气蚀 控制阀噪 声与流路设计 操作压力 被控介质特性等有关 钢厂循环发电工程车间噪声均 在1 0 0 分贝以上 1 2 新型控制阀应注意降噪 4 控制阀的节流使能量在阀内件内部被消耗 因此 降低能耗 降低控制 阀的压力损失 和保证好的控制品质之间要合理选择和兼顾 原材料供不应求 4 第1 章绪论 石油 煤 水资源的消耗和短缺已成为目前及今后相当长的时期内所面临的问题 因此用于流体控制的控制阀 在其设计 使用过程中要与节能问题相联系 1 2 4 控制阀的发展方向 控制阀的发展方向主要为智能化 模块化 精小化和安全化等 随着工业自 动化及现场总线技术的快速发展 对低成本 高可靠性的智能化阀门的要求越来 越迫切 其发展趋势是机电一体化 智能型与总线制接口 同时向着精小型 节 能 节材以及高温高压大压降方向发展 1 智能化和模块化 随着数字化现场总线的开发与应用 数字式智能定位器问世 智能阀门定位 器具有阀门定位器的所有功能 同时能够改善控制阀的动态和静态特性 提高控 制阀的控制精度 因此 未来调节阀的发展也必将向着数字式智能化的方向发展 采用智能阀门定位器不仅可以方便的改变控制阀的流量特性 也可提高控制系统 的控制品质 用智能化功能模块实现与被控对象特性的匹配 使控制阀产品的类 型和品种大大减少 2 精小化 控制阀的精小化是为了降低控制阀的重量 便于运输 安装和维护 通常采 用下列措施实现 采用精小型执行机构 如采用轻质材料 采用多组弹簧替代一 组弹簧 降低执行机构高度等 改变流路结构 如将阀芯的移动改变为阀座的移 动 将直线位移改变为角位移等 3 安全化 随着人们对仪表控制系统安全性的重视 安全仪表系统对控制阀的要求也越 来越高 主要表现在 对控制阀故障信息诊断和处理要求提高 不仅要对控制阀 进行故障发生后的被动性维护 而且要进行故障发生前的预防性维护和预见性维 护 对用于紧急停车系统或安全连锁系统的控制阀 提出及时 可靠 安全动作 的要求 对用于危险场所的控制阀 简化认证程序 计算机科学 控制理论和自动化仪表等高新科学技术的发展推动了控制阀的 发展 展望未来 我们要面临的问题会更多 对控制阀的要求也会更高 5 山东大学硕十学位论文 1 3 流固耦合的研究现状 1 3 1 流固耦合力学定义及特点 流固耦合力学是研究变形固体和流场之间相互作用的一门科学 流固耦合力 学的重要特征是两相介质之间的相互作用 是固体在运动液体的载荷作用下会产 生变形或运动 而固体的变形或运动又反过来改变流体载荷的分布和大小 这种 相互作用在不同条件下将会产生各种各样的流固耦合现象 流固耦合问题可由其耦合方程定义 这组方程的定义域同时有流体域与固体 域 而未知变量含有描述流体现象的变量和含有描述固体现象的变量 一般而言 具有以下两点特征 1 流体域与固体域均不可单独地求解 2 无法显式地削去描述流体运动的独立变量及描述固体运动的独立变量 一般情况下 流体与固体通过两相交界面的相互作用同时受流体及固体各自 的弹性力和惯性力影响 这就是一般的流固耦合问题 1 3 1 1 3 2 流固耦合的新进展 流固耦合问题起初涉及流体力学 固体力学 动力学 计算力学等学科的知 识 随着科学技术的发展 已逐渐渗透到生物学 医学以及航天航空 机械工程 和电子工程等科学领域 在人体 生物工程中 大批学者已经开始从流固耦合的角度对血管流 眼球 等进行研究 c o q u a r t 将眼睛简化为充有无粘 可压缩流体的壳液耦合系统 应用 有限元方法研究了眼内的压力对眼睛共振频率的影响 1 4 t a r b e l 讨论了血液的流变 性和血管壁的运动对动脉血管结构的影响 结构撞水响应是流固耦合领域中比较 复杂的动力问题 1 5 w a g n e r 研究了二维楔形体入水初期流场和入水阻力 1 6 1 近几 年 s c o l a n 1 刀和k o r o b k i n 1 8 1 给出t 维w a g n e r 问题的几个精确解并分析了流体和 射流间的能量分布 l 明 机器人关节是机器人中一个极其重要的部件 朱兴龙等对 机器人的液压伺服关节建立了动力学模型并进行了仿真研究 基于传统的水锤和 梁理论 考虑流固耦合的相互作用 对厚壁管道的研究 2 0 考虑流固耦合作用 6 第1 覃绪论 对一个封闭的 充水 t 形 实验室管系统模型的研究 2 l t i j s s e l i n ga s 等研究了 长充液输流管中流固耦合作用导致的波前色散现象 2 2 z h a n gy l 等采用线性分析 方法对输流管中瞬态流的流固耦合现象进行了探讨 s i g r i s tj f 等采用均匀化法 对原子核反应堆的流固耦合模型展开了研究阱 对裂隙岩体流固耦合的研究 2 5 2 明 世 号手0 随着技术的发展 新问题层出不穷 液固耦合问题与其它学科领域的交叉必 将进一步扩大与加强 1 3 3 流固耦合在工程中的应用 在航天航空工程中 由于复合材料结构的应用 颤振工作者开始研究复合材料 层合板在超音速流 气动加热等环境下的颤振问题 2 刀 在建筑工程中 由于高层 建筑的迅速发展 楼群的密集布局等因素影响 建筑结构同风的相互作用也引起 了人们的重视 2 8 在水利工程中 h m w e s t e r g a a r d 对坝体与库水的相互作用问题 进行了研究 2 9 x i a 等采用g r e e n n a g h d i 理论对二维超大型浮体与孤立波之间的 流固耦合特性进行了分析 3 0 c a r l aa n t o e i 等为了避免e u l e r 描述中欧拉网格与材 料的界面问题 采用光滑粒子流体动力学法对流固耦合进行数值仿真 3 l j 流固耦 合对加筋土边 3 2 1 及对水击波速 3 3 的影响 海洋结构在波浪作用下的动态分析 输 油管道由于油的流动会诱发管道振动 流体引起管道振动的研究源于对横跨阿拉 伯输油管道振动分析的需要 3 4 1 早期研究简支直输液管道稳定性的学者是 f e o d o s e v 3 5 1 h o u s n e r 3 q 及n i o r d s o n 3 7 水轮发电机叶片与水流的相互作用都是典 型的液固耦合问题 国内正在规划研究的航天高技术 海洋工程 海上高速运输 系统 高速列车 三峡工程等重大项目中都遇到了新的流固耦合问题 3 8 在石化 机械 核工业中 人们最初探讨充液容器 输液管道的耦合振动时 总是假设边 界条件是理想简支或固支等 但实际问题中 因振动 加热等结构的固定元件常 常出现松动 间隙等非线性因素 在这种环境下的耦合分析正在被人们研究 总 之 液固耦合问题的研究涉及到水利 航空航天 船舶 机械 海洋 地震地质 生物以及核工程等各个领域 并且越来越多的工程领域提出了两相耦合问题 使 该领域的研究 更加丰富多采 7 山东大学硕十学何论文 1 3 4 流固耦合的计算方法 描述流固耦合问题最根本的方法是数学方法 深入研究流固耦合问题就需要 研究近代经典动力学的各种数学方法 3 9 将数学上的最新研究成果应用于流固耦 合系统的研究中 从而促进流固耦合问题研究的进展 4 0 j 众所周知 固体结构分析的有限元方法与流体流动分析的计算流体动力学方 法都已经发展得很完善 然而 当这些方法用于求解流固耦合问题时 却出现了 一些问题 固体力学中习惯采用l a g r a n g e 描述格式 着眼于每一物质质点 而流体 力学中更多地使用e u l e r 描述格式 着眼于每一空间点 因而 描述结构运动的变 量是固定于每一质点上物质坐标的函数 而描述流体运动的变量是固定于空间点 上的空间坐标的函数 当结构运动时 物质坐标从其初始位置运动到一新的空间 位置 而欧拉坐标则保持它初始的空间坐标不发生变化 这种运动描述方法上的 差异 对小运动问题 可不加区分 但对于大运动非线性问题情况则复杂了 两 相界面的位形事先未知 开始重合的节点随运动固体点移动 流体点则不动 因 而如何调节两相界面点存在着一定的困难 1 9 7 4 年 h i r t 等在文中提出了a l e 描述法 对于a l e 描述法可以任意速度 在空间运动 若其速度等于质点速度 即为l a g r a n g e 描述格式 若其速度为零 即 为e u l e r 描述格式 可以说a l e 描述格式提供了两种描述格式的一种统一 尽管 a l e 技术提供了一个有效的途径将固体中常用的拉氏系与流体中常用的欧拉系 相联系 但要真正的将两者相结合解决液固耦合问题 这就要求我们既要熟悉流 体力学中的c f d 方法 如动态网格控制 无结构网格等 同时也要掌握固体力学 中的有限元分析技术 问题还是相当复杂 3 8 1 4 课题的提出 钢厂是能耗 物耗的大户 是城市环境的主要污染源之一 钢厂利用副产品 废煤气进行循环发电 有利于降低钢厂的能耗和物耗 降低环境污染 4 1 1 各钢厂 循环发电工艺流程相同 均为 1 焦炉 高炉煤气净化 混合 2 混合煤气 加压 3 送往燃气轮机燃烧 膨胀做功 带动燃气轮发电机组发电 4 燃气 轮机排放的高温烟气加热余热锅炉产生蒸汽 带动蒸汽轮发电机组 形成联合循 8 第1 章绪论 环发电 循环发电工程是典型的流程工业 各钢厂循环发电工程采用的主要设备也基本相同 均为数套4 8 m w 的燃气轮 发电机组 要求输入的煤气压力约为2 3 5b a r 压力变化耋2 煤气稳压采用气动 压力控制阀实现 煤气压力波动大 会引起严重的喘振 喘振会导致发电设备的 破坏 为防止喘振 气动压力控制阀必须能够快速响应 快速打开或关闭 高炉 煤气和焦炉煤气混合 热值约1 4 6 3 千卡 立方米 只有天然气热值的1 6 1 10 在 相同装机容量下 混合煤气比天然气发电所需要的气体供给量要大得多 对每台 燃气轮发电机组的混合煤气供给量约9 0 0 0 0 立方米 d 时 在如此大流量下 通过 普通的气动压力调节阀来使压力稳定 实现快速响应是十分困难的 在高性能控制阀方面 最先进技术都被国外公司所垄断 包括美国的f i s h e r 公司 日本的k o s o 株式会社和山武株式会社等 国内大的工程如i o o m w 以上电 站 化工等均需大量进口高性能控制阀 许多关键的控制阀价格均在几十 上百 万人民币元 甚至达1 5 0 万 钢厂循环发电工程对控制阀要求高 国内外尚无可 以直接满足要求的产品 f i s h e r 公司解决该问题的报价是每个控制阀2 0 万美元 整个循环发电工程需要几十个控制阀 我们国家对控制阀 调节阀 投入研发的人力和物力非常不足 国内各厂家 虽然也进行了一定的产品更新换代及开发 但主要还是停留在引进或者仿造国外 先进厂家的产品 关于普通液压或气动控制阀的研究比较多 也比较成熟 如 浙江大学张玉润 4 2 等人对控制阀流量特性对分流控制性能的作用进行了探索1 4 3 1 从事这方面研究的还有广西大学的徐锡化 孙华疏 删 天津纺织工学院的徐宝罗 王振友 4 5 等 但是 针对大型压力控制阀动态特性的研究几乎是空白 1 5 课题的主要研究内容 课题由高技术研究发展计划8 6 3 2 0 0 8 a a 0 4 2 1 3 0 资助 本文为大型智能压 力控制阀的最终定型提供了可靠的依据 并给后面的研究做了铺垫 1 利用三维实体造型软件p r o e 建立了控制阀的实体模型 通过p r o e 与 a n s y s 的数据接口输入到a n s y s 中 之后对模型进行了网格划分 施加约束 加载等 建立了阀体内混合煤气动态分析的物理模型 并实现了大流量混合煤气 9 山东大学硕十学位论文 的动态仿真 将流体分析的结果作为后续阀体分析的边界条件施加于阀体上 实 现了流固耦合分析 2 对不同阀芯线型及不同接管直径与控制阀公称通径之比的控制阀在相同进 口速度 相同开度的情况下进行动态仿真 并通过对比分析初步得到它们与控制 阀压降及阀内回流的关系 3 通过流固耦合分析 可得到阀芯位移图和应力分布云图 从阀芯应力分布 云图可很容易得到阀芯所受的最大应力值 在加工制造时应尽量避免产生加工缺 陷 同时将此应力值与阀芯的许用应力相比较可校核阀芯的强度和刚度 1 0 第2 章控制阀中流体力学的基本理论 第2 章控制阀中流体力学的基本理论 计算机的使用给流体力学的理论分析方法注入了新的活力 4 6 1 应用计算机作 数值模拟可代替一部分实验 深化人们对某些流动现象的物理本质的认识 掌握 流体力学的基本理论知识是我们用计算机进行数值模拟分析的前提 2 1 流体及其物理性质 2 i 1 流体的定义和特征 从宏观上讲 物质以固体 液体和气体三种形式存在 通常把能流动的液体 和气体统称为流体 从力学角度来说 流体当受到微小的剪切力作用时 将连续 不断的发生变形 即通常所说的流动 直到剪切力的作用消失为止 所以 流体 可以这样来定义 在任何微小剪切力作用下就能够连续变形的物质称为流体 流体不能保持一定的形状 即具有流动性 但流体在静止时不能承受切向力 这显然与固体不同 固体在静止时也能承受切向力 发生微小变形以抗拒外力 一直达到平衡为止 只要作用力保持不变 固体的变形就不再变化 流体和固体 之所以具有上述不同性质是由于分子间的作用力不同造成的 相同体积的固体和 流体 流体中所含有的分子数目比固体少得多 分子间距就大得多 因此 流体 分子间的作用力很小 分子运动剧烈 从而决定了流体具有流动性 而且流体也 没有固定的形状 47 1 2 1 2 流体连续介质假设 从微观的角度来看 流体并不是连续分布的物质 是由无数的分子组成的 分子与分子之间具有一定的空隙 但是 流体力学所要研究的并不是个别分子的 微观运动 而是研究由大量分子组成的宏观流体在外力作用下的机械运动 在流 体力学中 取流体微团来作为研究流体的基元 所谓流体微团是一块体积为无穷 小的微量流体 由于流体微团的尺寸极其微小 故可作为流体质点看待 这样 流体可看成是由无限多连续分布的流体微团组成的连续介质 这样对流体的连续 山东大学硕士学何论文 性假设是合理的 因为在流体介质内含有为数众多的分子 连续介质的模型是对流体物质结构的简化 使我们分析问题得到两大方便 其一 它使我们不考虑复杂的微观分子运动 只考虑在外力作用下的宏观机械运 动 其二 能运用数学分析的连续函数工具 流体作为连续介质的假设对大部分 工程技术问题都是适用的 4 8 2 1 3 流体的主要物理性质 1 流体的密度 单位体积流体所具有的质量称为流体的密度 它表征流体在空间某点质量的 密集程度 用符号p 来表示 对于流体中各点密度相同的均匀流体 其密度为 p 丝 2 1 v 式中 p 流体的密度 k g m 3 珑 流体的质量 k g y 流体的体积 m 3 我们所研究的流体为混合煤气 其密度为1 1 7 8k g m 3 2 流体的压缩性 在一定的温度下 流体的体积随压力升高而缩小的性质称为流体的压缩性 不考虑压缩性影响的流体称为不可压缩流体 流体的压缩性是否需要考虑应根据 情况来决定 一般来说 流体的压缩性是很小的 因此工程上 一般不考虑液体 的压缩性 把液体看成是不可压缩的流体 很多情况下 气体也可采用不可压缩 流体模型 在实际工程中 要不要考虑流体的压缩性 要视具体情况而定 例如 当气体对物体流动的相对速度比音速小得多时 气体密度变化很小 可近似地看 成是常数 可当作不可压缩流体处理 4 9 1 3 流体的黏性及牛顿内摩擦定律 所谓流体的黏性是指流体在流动时 流体内部质点间或流层间因相对运动而 产生内摩擦力 以抵抗其相对运动的性质 由流体的力学特点可知 静止流体不 能承受剪切力 即在任何微小剪切力的持续作用下 流体要发生连续不断地变形 1 2 第2 章控制阀中流体力学的基本理论 但不同的流体在相同的剪切力作用下其变形速度是不同的 它反应了抵抗剪切变 形能力的差别 这种能力就是流体的黏性 现通过一个实验来进一步说明流体的黏性 将两块平板相隔一定距离水平放 置 其问充满流体 下板固定不动 上板以 速度平行下板向右移动 如图2 一l 所示 由于流体与平板间有附着力 紧贴上板的一薄层流体将以速度口 随上板一 起向右运动 愈往下速度愈小 而紧贴下板的一薄层流体将和下板一样静止不动 其速度分布按直线规律变化 如图2 1 a 所示 7 um 一 一l r f j o w w e i j 干7 1 5 i 2 2 2 d j c j 卜 w a 流体间速度变化规律图b 流体间内摩擦力作用图 图2 1 液体粘滞性实验示意图 以上事实说明 由于各流层的速度不同 流层间就有相对运动 从而产生切 向作用力 称其为内摩擦力 作用在两个流体层接触面上的内摩擦力总是成对出 现的 它们大小相等而方向相反 分别作用在相对运动的两流体层上 速度较大 的流体层作用在速度较小的流体层上的内摩擦力死其方向与流体流动的方向相 同 使速度较小的流体层加速 而速度较小的流体层作用在速度较大的流体层上 的内摩擦力丁7 其方向与流体流动的方向相反 阻碍流体流动 使速度较大的流 体层减速 如图2 1 b 所示 为了确定内摩擦力 牛顿在1 6 8 6 年根据试验提出液体内摩擦定律 其内容如 下 取无限薄的流体层进行研究 坐标为y 处流速为 坐标为y d y 处流速为 d u 显然在厚度为d y 的薄层中速度梯度为幽 d y 运动的流体所产生的内摩 擦力t 的大小与垂直于流动方向的速度梯度d u d y 成正比 与接触面的面积a 成正 比 并与流体的物理性质有关 而与接触面上压力无关 内摩擦力的数学表达式 为 仁 彳坐 2 2 砂 式中 卜流体层接触面上的内摩擦力 n 山东大学硕十学何论文 1 流体层间的接触面积 m 2 孚 垂直于流动方向上的速度梯度 1 s 砂 且 与流体的物理性质有关的比例系数 称为动力黏性系数或动力黏度 简称为黏度 在一定的温度和压力下 动力黏度为一常数 它的单位为p a s o 符合这种内摩擦定律的流体称为牛顿型流体 否则称为非牛顿型流体 流体层之间单位面积上的内摩擦力称为内摩擦切应力或称黏性切应力 用t 表示 其表达式为 f 一t 1 塑 n x n 5 f 一2 kj 么 方 式中符号同上 式 2 3 称为牛顿内摩擦定律 式中 号反映了华的变化关系 当孕 o 桫口1 时取正号 当孕 2 0 0 0 时为紊流 流体的流动状态是层流还是湍流 对于流场的速度分布 产生阻力的方式和 大小等各不相同 所以在研究这些问题之前 首先应该判断流体的流动状态 我 们所研究混合煤气的雷诺数为1 4 2 远远小于2 0 0 0 所以我们所研究的流体属于 层流 2 4 2 流动阻力的类型 黏性流体在管道中流动时 由于黏性的存在 总要产生能量损失 根据产生 阻力的外在原因不同 将其分为两种类型 沿程阻力和局部阻力 黏性流体在管道中流动时 各流层之间和流体与固体壁面之间存在摩擦力 所以沿着流动路程 流体流动时总是受到摩擦力的阻滞 这种沿流程的流动阻力 称为沿程阻力 流体流动克服沿程阻力而损失的能量 称为沿程损失 在层流状 态下 沿程阻力完全由于黏性摩擦而产生 在湍流状态下 沿程阻力一部分是由 黏性摩擦造成的 但主要是由于流体质点的迁移和横向脉动造成的 局部阻力是指流体在流动过程中因遇到局部障碍而产生的阻力 在管道系统 中通常装有阀门 折管 弯头 三通 变径管件等局部装置 当流体流过