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调节阀内部流场的数值模拟及优化分析

张伟政  
【摘要】: 随着自动化程度的不断提高和流程工艺的发展,调节阀已日益广泛地应用于冶金、电力、化工、石油、轻纺、建材等工业部门中。调节阀在调节系统中是必不可少的,是过程控制工业里最常用的终端控制元件,它是组成工业自动化系统的重要环节,被称之为生产过程自动化的“手脚”。调节阀接受标准控制信号,将控制信号变成相应的机械位移,改变阀门的流通面积,从而达到对被控对象参数(压力、流量、温度、液位等)的控制目的,保证过程控制系统连续、有效的正常运行。 调节阀是工业自动化仪表中使用问题最多的产品,调节阀的品种多、规格多,可靠性差,调节阀的流量特性与工业过程被控对象特性不匹配,造成控制系统品质变差,调节阀是耗能设备,应降低调节阀的能耗,提高能源的利用率。 计算流体动力学(CFD)以计算机作为模拟手段,运用一定的计算技术寻求流体力学各种复杂问题的离散化数值解。CFD方法在产品的设计中的应用使得产品的结构设计更趋于合理。近年来,在阀门设计中CFD数值模拟也得到应用。 本文主要工作: 一、针对使用广泛的某一类型参数的套筒型调节阀,应用三维建模软件建立阀门内部流场模型,通过CFD前处理器生成计算网格,应用CFD软件进行离散求解,可以得到调节阀内部流场的可视化图形,如压力、速度等矢量图,等值线图等。通过数值模拟不同开度下流量,得到调节阀的流量特性曲线,与试验测定的数据进行了比较分析,得出的结论是本文所建的模型是正确可靠的。 二、以降低湍动能和湍流耗散率为目标,对能量损失严重的部位进行流道优化,再对优化改进后的流道进行数值模拟,与改进前的流道数值模拟进行比较,得出最优改进模型,并对流道优化提出建议。 通过数值模拟计算得到了套筒调节阀的流量特性曲线和阀门流道内三维流动的详细情况。CFD数值模拟的优势尤其表现在新产品的研制开发中,它不但能大幅度取代常规实验提供各种流动特性参数,而且能通过揭示流场三维分布形态为优化设计提供详细依据;文中所采用CFD方法必将大大提高套筒型调节阀设计的技术含量与产品质量,可缩短调节阀的设计和加工周期,节省大量成本,并且通过流道优化,对降低流体流过调节阀的能量损失,提高能源利用率等具有十分重要的意义。


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