發(fā)布時間：2020-06-02 21:33

【摘要】：鋼廠在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的焦爐和高爐煤氣,為了降低鋼廠的總體能耗和物耗、減少環(huán)境污染,目前許多鋼廠開始利用廢煤氣發(fā)電,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟。但在鋼廠循環(huán)發(fā)電工程中,氣體供給量大,對混合煤氣的流量要求高達54000Nm3/h以上。在混合煤氣的輸送管路中采用調(diào)節(jié)閥進行流量和壓力的控制,調(diào)節(jié)閥公稱通徑超過200mm,閥內(nèi)大流量煤氣的流動是復(fù)雜的非定常三維可壓湍流流動,調(diào)節(jié)閥和混合煤氣之間的相互作用是典型的流固耦合問題,這種流固耦合作用會對調(diào)節(jié)閥及混合煤氣流場產(chǎn)生較大影響,因此從流固耦合問題出發(fā)對大流量調(diào)節(jié)閥及其流場的準確的分析是調(diào)節(jié)閥設(shè)計制造和優(yōu)化的重要前提。本文主要針對發(fā)電工程所涉及到的基于流固耦合的大流量調(diào)節(jié)閥進行了研究。 闡述了流固耦合的基本內(nèi)涵及研究基礎(chǔ),綜述了流固耦合問題的國內(nèi)外研究概況,介紹了調(diào)節(jié)閥流固耦合的特點,對在循環(huán)發(fā)電工程中大流量調(diào)節(jié)閥流固耦合亟待解決的問題進行了探討。 針對大流量調(diào)節(jié)閥建立了流固耦合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,采用流固耦合有限元數(shù)值計算方法,分析了調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)振動的有限元方程和流體的有限元方程,探討了大流量調(diào)節(jié)閥的流固耦合系統(tǒng)基本方程和邊界條件；采用Galerkin有限元方法建立了調(diào)節(jié)閥與混合煤氣流固耦合的有限元方程,采用模態(tài)分析法進行了動力響應(yīng)分析；揭示了混合煤氣與調(diào)節(jié)閥的耦合振動機理,并對閥芯進行了動態(tài)特性分析；建立了大流量調(diào)節(jié)閥低頻噪聲耦合數(shù)學(xué)模型,從而得到了符合設(shè)計要求的耦合振動和噪聲的理論分析,為進一步展開流固耦合研究奠定了理論基礎(chǔ)。 以大流量混合煤氣壓力調(diào)節(jié)閥為研究對象,將數(shù)值仿真方法應(yīng)用于大流量調(diào)節(jié)閥流固耦合系統(tǒng)的研究中,探討了流固耦合對大流量調(diào)節(jié)閥及其流場的影響。揭示了在不同工況下,基于流固耦合的大流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)混合煤氣流場及速度矢量分布,研究了流體旋渦形成的原因、位置及其對調(diào)節(jié)閥振動產(chǎn)生的影響；探討了流固耦合對流場壓力及壓力損失情況、流量及壓力控制精度、氣流脈動頻率的影響。所建立的流固耦合仿真模型對提高模擬的精度以及分析結(jié)構(gòu)的流激振動問題均有實際意義,得到的結(jié)果為大流量調(diào)節(jié)閥的優(yōu)化設(shè)計、噪聲研究和試驗研究提供了理論指導(dǎo)。 在流固耦合的基礎(chǔ)上對大流量調(diào)節(jié)閥流動特性和噪聲進行了研究,得到了不同工況下的流量系數(shù)和流阻系數(shù)的數(shù)值以及噪聲水平,繪制出大流量調(diào)節(jié)閥的實際工作流量特性曲線和流阻特性曲線,采用最小二乘參數(shù)辨識的方法建立了流阻系數(shù)隨開度變化的控制模型,可以為大流量調(diào)節(jié)閥在較寬工況范圍內(nèi)的流動阻力實現(xiàn)良好的模擬和預(yù)測。仿真結(jié)果為大流量調(diào)節(jié)閥優(yōu)化設(shè)計提供了結(jié)構(gòu)和流場參數(shù)的量化數(shù)據(jù),為理論分析提供了實驗基礎(chǔ)和理論依據(jù),是降低結(jié)構(gòu)噪聲和進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)和必要措施。 為使大流量調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)參數(shù)和流場參數(shù)達到最優(yōu),以結(jié)構(gòu)、流場和噪聲分析結(jié)果為設(shè)計準則,提出了大流量調(diào)節(jié)閥的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化框架,實現(xiàn)了涉及到多學(xué)科、多物理場的大流量調(diào)節(jié)閥的建模、分析以及優(yōu)化的一體化集成。以保證煤氣輸送能力為前提,在追求減小調(diào)節(jié)閥噪音的系統(tǒng)優(yōu)化目標下,減小了調(diào)節(jié)閥的壁厚和流體速度,滿足了雷諾數(shù)、應(yīng)力強度和閥體總質(zhì)量的要求,即優(yōu)化后在降低噪音的同時,可以降低產(chǎn)品價格成本、使流動趨于穩(wěn)定、并且提高調(diào)節(jié)閥疲勞強度。 分別對基于流固耦合的調(diào)節(jié)閥閥體和閥芯的動力學(xué)特性進行了分析,得到了流體對調(diào)節(jié)閥閥體和閥芯固有頻率及振型的影響,并對其持續(xù)動力響應(yīng)情況進行了探討,從而能夠判斷調(diào)節(jié)閥在受到不同頻率的載荷時能否成功地克服共振、疲勞,及其它受迫振動所引起的不良效果。 以調(diào)節(jié)閥模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)強度分析為基礎(chǔ),提出了針對大流量調(diào)節(jié)閥流固耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法,根據(jù)閥芯的固有頻率的變化來判斷損傷裂紋的出現(xiàn),根據(jù)頻率變化的多少確定裂紋的大小,從而能夠快速有效的診斷出工作環(huán)境比較特殊的大流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)部閥桿的損傷情況,避免煤氣泄漏以及閥的動作緩慢或不能正常調(diào)節(jié)等故障的發(fā)生。 通過試驗方法,對大流量調(diào)節(jié)閥動力學(xué)模型的有效性和流固耦合數(shù)值仿真的可靠性進行了驗證。結(jié)果表明所建立的調(diào)節(jié)閥動力學(xué)分析模型用于模態(tài)的研究具有較高精度,所建立的基于流固耦合的調(diào)節(jié)閥模型具有較高可靠性,并且對流量和壓力的控制精度以及得到的流量系數(shù)和流阻系數(shù)要比不考慮流固耦合時的精度要高。 從流固耦合問題出發(fā)研究大流量混合煤氣壓力調(diào)節(jié)閥,提高調(diào)節(jié)閥的綜合性能,實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥在流固耦合作用下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,對于提高我國大流量調(diào)節(jié)閥的設(shè)計研究水平,推動鋼廠的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工程的進一步發(fā)展具有重要的理論意義和工程實踐價值。 本課題得到國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目“鋼廠循環(huán)發(fā)電工程中大流量煤氣的智能優(yōu)化控制及應(yīng)用技術(shù)(2008AA04Z130)”和高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目“大流量高頻響核電控制閥的多場耦合振動與泄漏自感知機理研究”(20110131110042)的支持。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TH134

【引證文獻】

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1 王雯;傅衛(wèi)平;孔祥劍;馬玉山;徐麗;;單座式調(diào)節(jié)閥閥芯-閥桿系統(tǒng)流固耦合振動研究[J];農(nóng)業(yè)機械學(xué)報;2014年05期

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本文編號：2693799