三通弹簧调节阀-管路系统动力学特性分析

作     者：李策策 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵滨;扶军

授予年度：2023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：三通弹簧调节阀 流致振动 管路系统 系统失稳 

摘      要：弹簧调节阀由于其结构简单、调节迅速等特点,广泛应用于管路输送系统中,但由于其自身对激励十分敏感的特点,容易和周围流体介质发生相互作用,产生流致振动,导致管路系统失稳,这对设备的安全可靠性带来了巨大的挑战,严重时影响系统的正常运行。以往的研究多聚焦于单一的阀门单元,对耦合在管路系统中阀门的瞬态动力学特性研究尚不深入,因此,研究管路系统流体与阀门作用机理及控制方法具有重要的理论指导意义。本文针对一种新型三通弹簧调节阀在小流量工况下出现了持续振动的现象,以揭示系统失稳的机理和诱导条件、消除阀门异常振动为目标,开展了理论分析、数值计算与仿真模拟等研究。主要工作如下:(1)介绍管路-阀门系统建模及求解方法。对管路内流体动力学和简单阀芯模型进行了理论分析,已有研究表明阀芯的动态特性需要考虑上下游边界的影响,因此,在理论分析的基础上,构建了简单管路-阀门系统计算模型,并与实验数据对比,验证了模型耦合方法和数值求解方法的可行性。(2)新型三通弹簧调节阀稳态特性研究。由于复杂阀门的过流系数与流体激励难以直接用理论公式准确描述,因此,建立三通弹簧调节阀CFD仿真的模型。首先通过实验验证了CFD仿真模型的准确性,然后,分别研究了不同阀门开度和不同流量工况下该阀门的过流特性和阀芯受到流体作用力的规律。计算结果表明:三通弹簧调节阀的主出口与旁通口的过流系数主要与阀门开度有关,阀芯受到的流体作用力主要与阀门出口流量分配关系和阀门的开度相关。最后,通过数据拟合与理论分析相结合的方式获得了过流系数与流体激励表达式。(3)三通弹簧调节阀-管路系统动力学特性研究。首先将三通弹簧调节阀的过流系数与流体激励耦合到管路系统中,建立了三通弹簧调节阀-管路系统的动力学数值模型,然后通过CFD仿真计算对三通弹簧调节阀-管路系统模型进行验证,接着探究了小流量工况下系统失稳的演变规律和阀芯振动的类型,以及波动流量工况下系统的响应。计算结果表明:当系统来流流量小于该临界流量工况时,系统会失去稳定,产生自激振荡现象,其振动频率接近管路的特征频率;波动流量工况下,当来流激励频率与管路特征频率接近时,会导致阀芯的剧烈振动,因此应避免该种状况的发生。(4)三通弹簧调节阀-管路系统动力学特性影响因素探究。针对小流量工况下系统出现的自激失稳现象,以及来流波动激励下的动态特性,分别从阀门参数、旁通口作用以及管路参数三个方面进行了影响因素的探究。明确了不同参数对系统响应的作用规律,为管路系统中阀门的选型、配置提供了理论与技术支撑。