高炉热风阀内部冷却流场仿真研究

作     者：王艺 

作者单位：北方工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐宏海;王广春

授予年度：2024年

学科分类：080602[工学-钢铁冶金] 08[工学] 0806[工学-冶金工程] 

主      题：有限元法 流场与压力场 热风阀 正交试验设计法 

摘      要：高炉热风阀内部通入冷却水是热风阀的重要冷却手段,冷却水的不均匀流速和流动中产生的涡流,会导致热风阀各处受到的热应力不均匀,造成热风阀开裂、漏水。为了解决这些问题,对热风阀内部冷却流场进行仿真分析,并对热风阀的结构进行改进。 本课题以DN400高炉热风阀为研究对象,利用Solidworks进行建模并简化模型;利用STAR-CCM+完成热风阀阀板、阀座内部冷却流场的仿真计算;利用正交仿真试验探究热风阀阀板的内圈流道厚度、内圈流道宽度、外圈流道厚度和外圈流道宽度对阀板内部冷却水速度均匀性的影响;基于流动相似原理对热风阀阀板进行模拟实验,验证仿真结果。 通过对阀板内部流场和压力场仿真分析,结果表明阀板内部冷却水速度分布不均匀,中心区域流速差大,同时内部存在四处涡流区域,阀板内部冷却水压降大,阀板中心下降最明显。通过分别对阀座一大一小两冷却腔的内部流场和压力场仿真分析,结果表明阀座两冷却腔内部的冷却水速度均匀、压力稳定。 相对标准偏差能够表示大量数据的稳定程度,通过正交仿真试验探究阀板的内圈流道厚度、内圈流道宽度、外圈流道厚度和外圈流道宽度对阀板内部冷却水速度相对标准偏差的影响,进而得到这些因素对冷却水速度均匀性的影响,结果表明各因素影响程度由大到小依次为内圈流道厚度、外圈流道宽度、外圈流道厚度、内圈流道宽度,内圈流道宽度的影响程度远小于其它三种因素。冷却水速度均匀性随内圈流道厚度和内圈流道宽度的降低而降低,随外圈流道厚度和外圈流道宽度的降低而增加。 基于流动相似原理进行模拟实验,实验结果表明阀板内部存在涡流,冷却水流速情况与仿真结果基本一致,证明了仿真计算的准确性。 根据仿真分析结果对阀板进行结构改进,并进行仿真验证。验证结果表明改进后阀板内部的一部分涡流消失,一部分涡流的范围减小。中心区域的速度差值降低了73.33%,整体的速度相对标准偏差降低了42.77%,压降也降低了44%。