煉鋼廠在生產(chǎn)過程中會造成很多的加熱爐和焦?fàn)t煤氣。為了更好地減少煉鋼廠的整體耗能和物料消耗、降低空氣污染，現(xiàn)階段很多煉鋼廠逐漸運(yùn)用廢液化氣發(fā)電量，發(fā)展趨勢綠色經(jīng)濟(jì)。煉鋼廠循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電量工程項目選用的天然氣輪柴油發(fā)電機(jī)，規(guī)定導(dǎo)入的液化氣工作壓力平穩(wěn)。怎樣完成液化氣穩(wěn)壓管、完成快速響應(yīng)是煉鋼廠循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電量項目的共性問題。而調(diào)節(jié)閥門的可靠性大多數(shù)在于調(diào)節(jié)閥門內(nèi)的空氣流動性，且與流動情況息息相關(guān)，因此，科學(xué)研究閘閥可靠性優(yōu)劣最先就需要科學(xué)研究閥內(nèi)汽體流動性以及基本定律，及其液體同固態(tài)的相互影響[1]。調(diào)節(jié)閥門內(nèi)大流量液化氣的流動性是繁雜的非定常三維可壓中合流動性，而且大中型液化氣壓力控制閥構(gòu)造繁瑣，閥內(nèi)的流動性界限也極為繁雜，液體和構(gòu)造中間藕合頁面的位形事前不明，他們中間的相互影響是非常典型的流固耦合問題，調(diào)節(jié)閥門內(nèi)液體與閥心的這類流固耦合功效又危害閥內(nèi)勢流的空間布局規(guī)律性，會引起出藕合震動、噪音，還會繼續(xù)造成較快工作壓力、內(nèi)應(yīng)力等，使調(diào)節(jié)閥門造成各種各樣失衡狀況，立即影響到了工作中安全性。因而從流固耦合問題考慮對調(diào)節(jié)閥門尤其是閥心和閥座開展精確的應(yīng)力分析是調(diào)節(jié)閥門設(shè)計方案的主要前提條件。
近些年，流固耦合問題愈來愈得到我們的高度重視，這方面的分析涉及到眾多行業(yè)。有關(guān)閥的流固耦合的科學(xué)研究，參考文獻(xiàn)[2－3]對單向節(jié)流閥開展了勢流和構(gòu)造場的耦合電路剖析，科學(xué)研究了單向節(jié)流閥的勢流遍布和多孔板的支承狀況。海外針對流固耦合科學(xué)研究十分重視，科學(xué)研究較早。在國外，有一半以上著名大學(xué)的土木系都付出了對流固耦合的應(yīng)用研究。20時代70年代至今，管路及管道系統(tǒng)軟件流固耦合問題擁有長足進(jìn)展，在諸多實(shí)體模型中比較有標(biāo)志性的是JournalofFluidsandStructures的創(chuàng)辦人MPPaidoussis等專家的探討工作中[4]，美國的GeorgePapadakis[5]明確提出了一種處理流固耦合問題的新方式 ，可以運(yùn)用于預(yù)測分析管路的工作壓力起伏。可是，在系統(tǒng)軟件藕合性能的探討中，閥常做為藕合初始條件解決，關(guān)鍵科學(xué)研究閘閥前管道系統(tǒng)軟件藕合特點(diǎn)，或是科學(xué)研究的閥心多見錐型或契形閥心，在創(chuàng)建實(shí)體模型全過程中進(jìn)行了很多的簡單化，并且因為不一樣閘閥結(jié)構(gòu)類型存有很大差別，迄今并沒有真真正正通用性的科學(xué)研究基礎(chǔ)理論。創(chuàng)作者依據(jù)循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電量工程項目中大中型液化氣壓力控制閥的具體構(gòu)造和工作標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)建了調(diào)節(jié)閥門流固耦合系統(tǒng)軟件動力學(xué)模型，對調(diào)節(jié)閥門中液體與閥心的流固耦合問題開展科學(xué)研究。
1 操縱方程式
大體上看，流固耦合功效只是出現(xiàn)在兩交叉頁面上，在藕合交匯處液體和彈性體材料具備同樣的效率和工作壓力，這也是流固耦合的初始條件。在方程式上的藕合是由兩相耦合表面的均衡及融洽來引進(jìn)的。
選用有限元原理來求得流固耦合問題，即對液體域、結(jié)構(gòu)域均選用有限元方法來開展離散變量，初始條件在模塊的組成全過程中逼迫完成。假設(shè)ΔXfs為藕合體系的自變量增加量，依據(jù)連接點(diǎn)所屬物理學(xué)域的不一樣，得簡單化后的藕合振動方程[6]。

式中：標(biāo)注f和s各自表述為液體域和結(jié)構(gòu)域；字符C和I各自表述為藕合頁面處和內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)上的自變量；Af、As為藕合體系的等效電路品質(zhì)引流矩陣；ΔXfI、ΔXfsC、ΔXsI各自為液體域、藕合頁面處和結(jié)構(gòu)域內(nèi)的連接點(diǎn)未知量空間向量；RfI、RfsC、RsI各自為液體域、藕合頁面處和結(jié)構(gòu)域內(nèi)的外力作用空間向量。
2 測算實(shí)體模型及初始條件
調(diào)節(jié)閥門內(nèi)空氣的流動性是繁雜的三維可壓中合流動性，調(diào)節(jié)閥門構(gòu)造如下圖1所顯示，公稱直徑管徑為240mm，總長度為700mm，閥心孔徑為200mm。創(chuàng)作者根據(jù)大中型液化氣壓力控制閥的具體構(gòu)造，創(chuàng)建其三維模型，圖2一樣為閥心開啟度為50%的調(diào)節(jié)閥門實(shí)體模型從對稱性面割開后的情況，可見到內(nèi)部結(jié)構(gòu)地區(qū)構(gòu)造，閥心為液體工作壓力均衡型閥心。

圖1 調(diào)節(jié)閥門平面圖

圖2 調(diào)節(jié)閥門三維模型

依據(jù)調(diào)節(jié)閥門工作中全過程，液體剖析時以閥心—高壓閘閥—油路板的內(nèi)流道做為模擬仿真測算域，因為閥內(nèi)汽體流動性為中合流動性，因而剖析時取詳細(xì)流道，與此同時為保證通道和出入口液體單邊流動性而不造成流回，將通道和出入口管各自增加150mm，如下圖3所顯示。圖4為調(diào)節(jié)閥門均衡型閥心的三維模型，用以流固耦合剖析中的結(jié)構(gòu)特征。

圖3 內(nèi)過流道模擬仿真測算域

圖4 閥心構(gòu)造

流固耦合分析方法和初始條件依據(jù)循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電量工程項目中調(diào)節(jié)閥門的具體構(gòu)造和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，圖5為開啟度50%時閥心與測算過流道的cad零件圖。

圖5 閥心與測算過流道的cad零件圖（開啟度50%時）

依據(jù)調(diào)節(jié)閥門在煉鋼廠應(yīng)用時的現(xiàn)實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，液化氣進(jìn)口的工作壓力為2.45MPa，而循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電量工程項目選用48MW的天然氣輪柴油發(fā)電機(jī)，規(guī)定導(dǎo)入的液化氣工作壓力約為2.35MPa，因而液體剖析時設(shè)置調(diào)節(jié)閥門通道和出口處均選用工作壓力標(biāo)準(zhǔn)，閥心、高壓閘閥和油路板設(shè)置為光潔邊界層初始條件，狀態(tài)變量由測算標(biāo)準(zhǔn)決策。運(yùn)用K-ε兩方程式湍流模型來敘述湍流模型。根據(jù)測算，獲得流固耦合剖析結(jié)論。
3 標(biāo)值效果與剖析
3.1 流固耦合對速率矢量素材的危害
圖6和7各自為未考慮到流固耦合功效和考慮到耦合作用時液體在對稱性表面的速率矢量素材遍布，表明了流固耦合對速率遍布及其液體在調(diào)節(jié)閥門內(nèi)產(chǎn)生渦旋的危害尺寸。能夠看見：當(dāng)開啟度為25%時，流固耦合危害并不算太大，無論是不是考慮到流固耦合危害，速率最高值都具體出現(xiàn)在挨近出入口一側(cè)的節(jié)流閥處，而渦旋關(guān)鍵在閥心的下邊造成；當(dāng)開啟度為50%時，考慮到流固耦合時，挨近進(jìn)口的一側(cè)的節(jié)流閥處速率有一定的擴(kuò)大，但速率較大處仍是在挨近出入口一側(cè)的節(jié)流閥處，渦旋關(guān)鍵出現(xiàn)在均衡型閥心的里側(cè)，而未考慮到藕合時渦旋關(guān)鍵出現(xiàn)在閥心的下邊；伴隨著開啟度的再次擴(kuò)大，當(dāng)做到75%時，未考慮到流固耦合的勢流速率比較大值發(fā)生在節(jié)流閥口周邊及其油路板的底端，而且渦旋依然在閥心的下邊，而考慮到流固耦合功效時，挨近進(jìn)口的一側(cè)的節(jié)流閥口周邊速率較大，渦旋十分明顯地出現(xiàn)在閥心里側(cè)。因為氣體在流通環(huán)節(jié)中形成的振蕩，即液體根據(jù)調(diào)節(jié)閥門時需生成的渦旋和中合是調(diào)節(jié)閥門內(nèi)造成耗能和液體噪音的根本原因，根據(jù)對渦旋和中合遍布的剖析，可以揭露調(diào)節(jié)閥門內(nèi)汽體流動性的不穩(wěn)定會造成其它的震動，而在其中閥座－閥心的震動主要表現(xiàn)較為突出的緣故，這也進(jìn)一步表明當(dāng)考慮到流固耦合功效時剖析結(jié)果更切合實(shí)際。

圖6 未考慮到耦合作用時液體速率矢量圖片

圖7 考慮到耦合作用時液體速率矢量圖片

3.2 流固耦合對閥心等效應(yīng)力的危害
調(diào)節(jié)閥門在液體功效下承受力繁雜，因而從流固耦合問題考慮對調(diào)節(jié)閥門尤其是閥心和閥座開展精確的應(yīng)力分析是調(diào)節(jié)閥門設(shè)計方案的主要前提條件。圖8和9各自為考慮到流固耦合時均衡型閥心的等效應(yīng)力遍布和閥心形變狀況。

圖8 閥心Mises等效應(yīng)力遍布

圖9 閥心形變狀況

從圖8能夠看見，等效應(yīng)力最高值全是發(fā)生在閥心和閥座的相接處，即這一位置為閥心的最風(fēng)險地區(qū)，而且伴隨著開啟度擴(kuò)大，內(nèi)應(yīng)力值也是慢慢增加的，這也是因為當(dāng)閥開啟度比較大時，節(jié)流閥造成的壓力降較為小，進(jìn)而使均衡型閥心內(nèi)的負(fù)擔(dān)也非常大，這時的閥心承受力狀況較極端。圖9為在流固耦合功效下的形變狀況，這類形變主要是由功效結(jié)構(gòu)類型的汽體延展性驅(qū)動力造成的。根據(jù)形變量可以了解在哪里形變及其形變的尺寸。能夠看見：任一開度下的閥心和閥座，其形變量全是不勻稱的，較大形變量產(chǎn)生在閥心的底端。伴隨著調(diào)節(jié)閥門開啟度的擴(kuò)大，閥心和閥座的形變量慢慢減少，當(dāng)處在小開啟度情況時，閥心和閥座的形變數(shù)值相對性比較大，但比較于閥心自身的規(guī)格，形變量或是不大的。因而設(shè)計方案大中型壓力控制閥時要挑選開啟度很大的狀況、開展更為具體的流固耦合剖析，以便其結(jié)構(gòu)類型可以得到提升，避免無效毀壞狀況造成。并且要需注意調(diào)節(jié)閥門處在大開啟度情況下閥心和閥座的安全性，進(jìn)而確保閥心和閥座的常規(guī)運(yùn)行和使用期限。
3.3 流固耦合熱對流場工作壓力的危害
流固耦合的優(yōu)點(diǎn)取決于固態(tài)形變不但在于健身運(yùn)動液體所提供的荷載，并且相反危害液體的健身運(yùn)動，進(jìn)而轉(zhuǎn)變了功效于液體表層的荷載。從閥心上取不一樣部位的二點(diǎn)，其部位如下圖10所顯示，點(diǎn)1坐落于閥座上，點(diǎn)2坐落于閥心的底端兩側(cè)。各自檢測這兩個部位在無藕合和考慮到藕合時的勢流工作壓力，表1中，p0意味著未考慮到流固耦合時該部位勢流的工作壓力尺寸，p1意味著考慮到流固耦合時該部位勢流工作壓力尺寸，（p1－p0）/p0的比例則體現(xiàn)流固耦合熱對流場工作壓力危害的尺寸。

圖10 觀測點(diǎn)部位

圖11 藕合熱對流場工作壓力的危害

表1 監(jiān)控點(diǎn)工作壓力轉(zhuǎn)變

圖11為不一樣開啟度用點(diǎn)1和點(diǎn)2部位流固耦合熱對流場工作壓力的危害狀況，結(jié)果顯示，流固耦合對不一樣部位的勢流工作壓力是有影響的，追線1部位即挨近閥座的部位流固耦合的危害比較大，尤其是當(dāng)開啟度做到75%時，危害指數(shù)做到最高值。因而當(dāng)開啟度為75%周邊時，流固耦合對閥座處勢流工作壓力的直接影響是無法忽視的。
4 結(jié)果
創(chuàng)作者依據(jù)循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電量工程項目中大中型液化氣壓力控制閥的具體構(gòu)造和標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)建了調(diào)節(jié)閥門流固耦合系統(tǒng)軟件動力學(xué)模型，對調(diào)節(jié)閥門中液體與閥心的流固耦合問題開展了科學(xué)研究。剖析了在不一樣開啟度下，流固耦合對速率矢量和渦旋產(chǎn)生的危害，揭露了調(diào)節(jié)閥門內(nèi)汽體流動性的不穩(wěn)定會造成閥座－閥心的震動主要表現(xiàn)較為突出的緣故，進(jìn)一步表明當(dāng)考慮到流固耦合功效時剖析結(jié)果更切合實(shí)際；討論了在大流量液化氣工作壓力的作用下的閥心和閥座的等效應(yīng)力遍布及其形變狀況，覺得較大等效應(yīng)力值全是發(fā)生在閥心和閥座的相接處，因而設(shè)計方案大中型壓力控制閥時要對該位置開展更為具體的剖析，以便其結(jié)構(gòu)類型可以得到提升，避免無效毀壞狀況造成，并且當(dāng)開啟度比較大時等效應(yīng)力相對性比較大，因而要需注意調(diào)節(jié)閥門處在大開啟度情況下閥心和閥座的安全性，進(jìn)而確保閥心和閥座的常規(guī)運(yùn)行和使用期限；科學(xué)研究了流固耦合熱對流場工作壓力的危害，覺得當(dāng)閥的開啟度在75%周邊時，流固耦合熱對流場功效于閥座處工作壓力的危害相應(yīng)比較大，是無法忽視的。因而，從流固耦合問題考慮科學(xué)研究大中型液化氣壓力控制閥，完成調(diào)節(jié)閥門在流固耦合功效下的構(gòu)造可靠性設(shè)計，針對增強(qiáng)中國大中型調(diào)節(jié)閥門的設(shè)計方案科學(xué)研究水準(zhǔn)，具備關(guān)鍵的生產(chǎn)制造現(xiàn)實(shí)意義。
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