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高压降迷宫套筒组合调节阀瞬态流场及涡激振动模拟研究

王伟波  
【摘要】:本文是在国家自然科学基金项目(编号:51569012)的资助下完成的。单座调节阀在高压差工况工作时,剧烈的压力脉动和漩涡容易引发调节阀管路系统的涡激振动疲劳破坏,并产生较大噪声,严重影响管路系统设备的安全运行和操作人员的身心健康。针对单座调节阀的不足,在大量调研的基础上,设计了高压降迷宫套筒组合调节阀,并分别对其在最大、正常和最小工况时的三种典型节流模型进行了三维瞬态流动及涡激振动仿真研究。具体开展了以下工作:(1)调研了调节阀流场及涡激振动问题的国内外研究现状,分析了工作在高压差工况的单座调节阀存在的振动噪声和破坏失效问题,从而总结出高压降迷宫套筒组合调节阀研究的重要意义。(2)针对调节阀大压差工况,通过六通道迷宫盘片、四通道迷宫盘片和多级套筒的组合,设计了满足等百分比流量特性的高压降迷宫套筒组合调节阀。其中迷宫盘片不仅能够实现流体压力先高压降后低压降的功能,而且可以有效避免流道最后一级较大的压力恢复,多级套筒结构可以实现消声减振的目的。(3)运用ANSYS Fluent软件研究了高压降迷宫套筒组合调节阀的流量调节特性,得到了其三段式等百分比流量特性曲线。对最大、正常和最小工况,分别完成了调节阀三种典型节流模型的三维瞬态流动模拟,研究了流体流动特性和压力脉动特性,并且得到了调节阀不同工况压降、节流开度与流体压力脉动三者之间的关系。(4)运用ANSYS Workbench软件,联用流场、静力场与模态分析模块分别建立了高压降迷宫套筒组合调节阀在最大、正常和最小工况三种典型节流开度时的流固耦合模态分析仿真模型,求解了调节阀前6阶模态,得到调节阀不同工况压降、节流开度、模态阶数与模态频率之间的关系。另外对调节阀瞬态流场计算得到的升力系数时域信息进行了频谱分析,得到了旋涡脱落主频率范围。比较调节阀固有频率和旋涡脱落主频率,得到调节阀不会发生涡激振动锁定现象。通过上述研究,为高压降类阀门减振降噪内件的结构设计提供新的思路,为调节阀涡激振动的研究提供参考。


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