鋼廠在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的焦?fàn)t和高爐氣體。為了降低鋼廠的整體能耗和材料消耗，減少環(huán)境污染，許多鋼廠開始利用廢氣發(fā)電，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。鋼廠循環(huán)發(fā)電工程中使用的氣輪發(fā)電機(jī)組需要穩(wěn)定的輸入氣體壓力。如何實現(xiàn)氣體壓力穩(wěn)定和快速響應(yīng)是鋼廠循環(huán)發(fā)電工程中的一個常見問題。調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性主要取決于調(diào)節(jié)閥內(nèi)的氣體流動，與流動狀態(tài)密切相關(guān)。因此，研究閥門的穩(wěn)定性，首先研究閥門內(nèi)的氣體流動及其基本規(guī)律，以及流體與固體之間的相互作用[1]。調(diào)節(jié)閥內(nèi)大流量氣體的流動是一種復(fù)雜的非三維可壓湍流流動，大型氣壓調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，閥內(nèi)的流動邊界極其復(fù)雜，流體與結(jié)構(gòu)之間耦合界面的位置未知，其相互作用是典型的流固耦合問題，調(diào)節(jié)閥芯的流動是一個復(fù)雜的非三維可壓湍流流流動流動流動，大氣壓力調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大氣壓力調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，閥內(nèi)的流動邊界極其復(fù)雜，流動邊界極其復(fù)雜，流動邊界極其復(fù)雜，流動邊界極其復(fù)雜，流動邊界極其復(fù)雜。
   近年來，流固耦合問題越來越受到人們的重視，涉及許多領(lǐng)域。關(guān)于閥門流固耦合的研究，文獻(xiàn)[2-3]分析了節(jié)流閥的流場和結(jié)構(gòu)場，研究了節(jié)流閥的流場分布和閥板的應(yīng)力。國外非常重視流固耦合的研究，研究較早。在美國，一半以上著名大學(xué)的土木工程系已經(jīng)投資于對流固耦合的應(yīng)用研究。自20世紀(jì)70年代以來，管道和管道系統(tǒng)的流固耦合問題取得了巨大的進(jìn)展。在許多模型中，更具代表性的是JournalofFluidsandStructures的創(chuàng)始人MPPaidoussis英國等學(xué)者的研究工作[4]GeorgePapadakis[5]提出了一種新的解決流固耦合問題的方法，可用于預(yù)測管道的壓力波動。然而，在系統(tǒng)耦合特性的研究中，閥門往往作為耦合邊界條件，主要研究閥門前管道系統(tǒng)耦合特性，或大多數(shù)閥芯為錐形或楔形閥芯，在建立模型的過程中，由于不同閥門的結(jié)構(gòu)差異較大，沒有真正的通用研究理論。根據(jù)循環(huán)發(fā)電工程中大型氣壓調(diào)節(jié)閥的實際結(jié)構(gòu)和工作條件，建立了調(diào)節(jié)閥流固耦合系統(tǒng)的動力學(xué)模型，研究了調(diào)節(jié)閥中流體與閥芯的流固耦合。
   1 控制方程
   一般來說，流固耦合僅發(fā)生在兩相交界面上，流體和彈性體具有相同的速度和壓力，這是流固耦合的邊界條件。方程耦合是由兩相耦合表面的平衡和協(xié)調(diào)引入的。
   采用有限元法解決流固耦合問題，即在單元組合過程中強(qiáng)制實現(xiàn)流體域和結(jié)構(gòu)域的離散。ΔXfs簡化的耦合振動方程[6]是耦合系統(tǒng)的變量增量。

   
   中：上標(biāo)f和s分別表示為流體域和結(jié)構(gòu)域；下標(biāo)C和I分別表示耦合界面和內(nèi)部節(jié)點的變量；Af、As耦合系統(tǒng)等效質(zhì)量矩陣；ΔXfI、ΔXfsC、ΔXsI流體域、耦合界面和結(jié)構(gòu)域的節(jié)點未知數(shù)向量；RfI、RfsC、RsI分別是流體域、耦合界面和結(jié)構(gòu)域的外力向量。
   2 計算模型和邊界條件
   調(diào)節(jié)閥內(nèi)氣體的流動是復(fù)雜的三維可壓湍流。調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，公稱直徑為240mm，總長為700mm，閥芯直徑為200mm。根據(jù)大型氣壓調(diào)節(jié)閥的實際結(jié)構(gòu)，作者建立了其三維模型。圖2顯示了閥芯開度為50%的調(diào)節(jié)閥模型從對稱面切割后的狀態(tài)，可以看到內(nèi)部區(qū)域結(jié)構(gòu)。閥芯為流體壓力平衡閥芯。

圖1 調(diào)節(jié)閥示意圖

圖2 調(diào)節(jié)閥三維模型

   根據(jù)調(diào)節(jié)閥的工作過程，流體分析以閥芯-閥座-閥體的內(nèi)流道為模擬計算域。由于閥內(nèi)氣體流動為湍流流動，分析時取出完整的流道。同時，為了保證入口和出口流體的單向流動而不回流，入口和出口管分別延長150mm，如圖3所示。圖4為流固耦合分析中調(diào)節(jié)閥平衡閥芯的三維模型。

圖3

圖4 閥芯結(jié)構(gòu)

   流固耦合分析模型和邊界條件根據(jù)循環(huán)發(fā)電工程中調(diào)節(jié)閥的實際結(jié)構(gòu)和條件設(shè)置，圖5為閥芯和計算流道開度50%時的裝配圖。

圖5 閥芯與計算流道的裝配圖(開度50%)

   根據(jù)鋼廠使用調(diào)節(jié)閥的實際情況，進(jìn)氣壓力為2.45MPa，循環(huán)發(fā)電工程采用488MW對于燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組，輸入的燃?xì)鈮毫s為2.35MPa，因此，在流體分析中，調(diào)節(jié)閥的入口和出口采用壓力條件，閥芯、閥座和閥體設(shè)置為光滑的壁邊界條件，初始條件由計算條件決定。應(yīng)用程序K-ε兩方程湍流模型描述湍流模型。流固耦合分析結(jié)果通過計算得到。
   3 數(shù)值結(jié)果及分析
   3.1 流固耦合對速度矢量的影響
   圖6和7分別是流體在對稱表面的速度矢量分布，不考慮流固耦合和對稱表面的速度矢量分布，顯示了流固耦合對速度分布和流體在調(diào)節(jié)閥中形成漩渦的影響?？梢钥闯?，當(dāng)開度為25%時，流固耦合的影響不大。無論是否考慮流固耦合的影響，最大速度值主要發(fā)生在出口側(cè)附近的節(jié)流處，而漩渦主要發(fā)生在閥芯下方；當(dāng)開度為50%時，考慮流固耦合時，進(jìn)口側(cè)附近的節(jié)流處速度增加，但最大速度仍在出口側(cè)附近的節(jié)流處，漩渦主要發(fā)生在平衡閥芯內(nèi)側(cè)，而不考慮耦合時，漩渦主要發(fā)生在閥芯下方；隨著開度的不斷增加，當(dāng)達(dá)到75%時，不考慮流固耦合的大流場速度值出現(xiàn)在節(jié)流口附近和閥體底部，漩渦仍在閥芯下方。

圖6 流體速度矢量圖沒有考慮耦合

圖7

   3.2 流固耦合對閥芯等效應(yīng)力的影響
   調(diào)節(jié)閥在流體作用下受力復(fù)雜，因此從流固耦合問題出發(fā)，準(zhǔn)確分析調(diào)節(jié)閥，特別是閥芯和閥桿，是調(diào)節(jié)閥設(shè)計的重要前提。圖8和9分別考慮了流固耦合時平衡閥芯的等效應(yīng)力分布和閥芯的變形。

圖8 閥芯Mises等效應(yīng)力分布

圖9 閥芯變形

   從圖8可以看出，等效應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在閥芯與閥桿的連接處，即這部分是閥芯最危險的區(qū)域，隨著開度的增加，應(yīng)力值也逐漸增加。這是因為當(dāng)閥門開度較大時，節(jié)流產(chǎn)生的壓降相對較小，因此平衡閥芯中的壓力也相對較大。此時，閥芯受力較差。圖9顯示了流固耦合作用下的變形，主要是由作用于結(jié)構(gòu)的氣體彈性動力引起的。通過變形量可以知道在哪里變形和變形?？梢钥闯?，任何開度下的閥芯和閥桿的變形量都是不均勻的，最大變形量發(fā)生在閥芯底部。隨著調(diào)節(jié)閥開度的增加，閥芯和閥桿的變形量逐漸減小。當(dāng)處于小開度狀態(tài)時，閥芯和閥桿的變形值相對較大，但與閥芯本身的尺寸相比，變形量仍然很小。因此，在設(shè)計大壓力調(diào)節(jié)閥時，應(yīng)選擇開度較大的情況，并進(jìn)行更詳細(xì)的流固耦合分析，以防止其在結(jié)構(gòu)上的損壞和使用壽命。
   3.3 流固耦合對流場壓力的影響
   流固耦合的特點是，固體變形不僅取決于運動流體給出的載荷，而且反過來影響流體的運動，從而改變了作用于固體表面的載荷。從閥芯上取出不同位置的兩點，如圖10所示。點1位于閥桿上，點2位于閥芯底部外。在表1中，p當(dāng)流固耦合不考慮位置流場的壓力時，p1代表流固耦合時流場壓力的位置，（p1－p0）/p0的百分比反映了流固耦合對流場壓力的影響。

圖10 觀測點位置

圖11 耦合對流場壓力的影響

表1 監(jiān)測點壓力變化

   圖11是不同開度下點1和點2位置流固耦合對流場壓力的影響。結(jié)果表明，流固耦合對不同位置的流場壓力有影響。對點1位置對閥桿附近的流固耦合有很大影響，特別是當(dāng)開度達(dá)到75%時。因此，當(dāng)開度接近75%時，流固耦合對閥桿處流場壓力的影響不容忽視。
   4 結(jié)論
   根據(jù)循環(huán)發(fā)電工程中大型氣壓調(diào)節(jié)閥的實際結(jié)構(gòu)和條件，建立了調(diào)節(jié)閥流固耦合系統(tǒng)的動力學(xué)模型，研究了調(diào)節(jié)閥中流體與閥芯的流固耦合。分析了流固耦合在不同開度下對速度矢量和漩渦形成的影響，揭示了調(diào)節(jié)閥內(nèi)氣體流動不穩(wěn)定會導(dǎo)致閥桿-閥芯振動性能明顯的原因，進(jìn)一步說明了流固耦合時分析結(jié)果更加實用；探討了大流量氣壓作用下閥芯與閥桿的等效應(yīng)力分布和變形，認(rèn)為最大等效應(yīng)力值出現(xiàn)在閥芯與閥桿的連接處，因此在設(shè)計大型壓力調(diào)節(jié)閥時，應(yīng)對該部件進(jìn)行更詳細(xì)的分析，以優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，防止失效損壞，并在開度較大時等效應(yīng)力較大，因此應(yīng)特別注意調(diào)節(jié)閥處于大開度狀態(tài)下，以確保閥芯與閥桿的安全，從而提高閥桿的正常工作和使用壽命。
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