球阀启闭过程瞬态数值模拟与试验研究

作     者：韩勇 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周岭

授予年度：2021年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：球阀 启闭过程 数值模拟 试验研究 水击现象 

摘      要：球阀具有结构简单、启动力矩小及密封性能好等突出优势,广泛应用于工业和生活的多个领域,在阻断设备与管道系统、调节管路流量、防止逆流及控制流向等方面发挥着重要作用。当球阀采用V形阀芯通道结构时,兼备等百分比流量调节的作用,对管路流量的大小可实现精准调节。研究V形球阀启闭过程阀门内部流动规律,分析球阀关闭引起的水击压强变化,有利于完善球阀设计方法并提高球阀的运行可靠性。本文基于流体阻断试验与数值模拟相结合的方法,对核电用大型球阀启闭的瞬态过程和球阀在不同关阀时间、不同关阀方式下引起的水击现象进行了系统研究。本文的主要研究内容及取得的研究成果如下:(1)基于斯坦福大学发布的U形弯管中的湍流问题,采用计算流体力学方法对四种常用湍流模型及Wray–Agarwal湍流模型在弯管流动中的适用性进行了对比研究。结果表明:SST k-ω和Wray–Agarwal湍流模型相对于标准k-ε、RNG k-ε、和Spalart-Allmaras湍流模型在弯管中的数值模拟结果与试验数据更为接近,为球阀瞬态数值仿真的湍流模型选择提供了参考。(2)基于不同驱动电压(323V、380V、418V),分别对核电用H2Q947Y-25P(DN350)型电动球阀启闭过程开展了流体阻断试验,对试验数据进行了统计处理,并讨论和分析了试验结果。结果表明:基于不同驱动电压的球阀启闭过程,重复三次测量得到的流量时程和阀门前后压差时程曲线重复性较高,证实试验回路系统稳定、测量系统和测量结果可靠性较高。通过计算确定了压差等试验数据的测量标准不确定度。利用MATLAB软件将试验散点数据拟合成曲线方程,确定了球阀数值模拟的边界条件。(3)基于滑移网格及变边界条件的方法,对球阀瞬态启闭过程进行了数值模拟,研究了球阀开启和关闭过程中进出口压差及流阻特性随相对开度的变化规律,分析了球阀启闭过程不同开度下、不同截面位置的速度分布、流线分布、压力分布及阀芯内部涡核形态的发展规律。结果表明:球阀启闭过程中,球阀进出口压差、流阻系数随相对开度变化的数值模拟曲线与试验曲线基本重合,且其值与球阀相对开度大小成反比例关系。球阀启闭过程中,球阀相对开度越小,阀芯流道内涡核形态越复杂;在相同开度下,球阀启闭过程中阀芯流道内涡核形态差异不大。通过数值模拟获得了球阀内部流场的分布,揭示了球阀压差及流阻特性与相对开度的变化规律,为球阀的优化设计提供了理论依据。(4)基于滑移网格及Fluent-Expression编辑器控制转速的方法,分析了不同关阀时间和关阀方式对水击现象的影响,并提出了有效防护水击的措施。结果表明:基于匀速关阀,关阀时间越长引起的最大水击压强越小,适当延长关阀时间有利于减小水击带来的危害。匀速关阀在几种不同关阀方式中引起的最大水击压强最小,而线性匀减速关阀在增高最大水击压强的同时降低了水击波波动时间。