根據(jù)循環(huán)發(fā)電工程中大型煤氣壓力調(diào)節(jié)閥的實(shí)際結(jié)構(gòu)和工作條件，建立調(diào)節(jié)閥流固耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)調(diào)節(jié)閥中流體與閥芯的流固耦合問(wèn)題進(jìn)行研究。分析不同開度下流固耦合對(duì)流體速度和漩渦形成的影響，探討在大流量煤氣壓力作用下的閥芯和閥桿的等效應(yīng)力分布以及變形情況，揭示流固耦合對(duì)流場(chǎng)作用于閥芯壓力的影響。從流固耦合問(wèn)題出發(fā)研究大型煤氣壓力調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥在流固耦合作用下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于提高我國(guó)大型調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)研究水平，具有重要的生產(chǎn)實(shí)際意義。

　　鋼廠在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的焦?fàn)t和高爐煤氣。為了降低鋼廠的總體能耗和物耗、減少環(huán)境污染，目前許多鋼廠開始利用廢煤氣發(fā)電，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。鋼廠循環(huán)發(fā)電工程采用的燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組，要求輸入的煤氣壓力穩(wěn)定。如何實(shí)現(xiàn)煤氣穩(wěn)壓、實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)是鋼廠循環(huán)發(fā)電工程的共性問(wèn)題。而調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性大多取決于調(diào)節(jié)閥內(nèi)的氣體流動(dòng)，且與流動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)，因而，研究閥門穩(wěn)定性好壞首先就要研究閥內(nèi)氣體流動(dòng)及其基本規(guī)律，以及流體同固體的相互作用[1]。調(diào)節(jié)閥內(nèi)大流量煤氣的流動(dòng)是復(fù)雜的非定常三維可壓湍流流動(dòng)，并且大型煤氣壓力調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，閥內(nèi)的流動(dòng)邊界也極其復(fù)雜，流體和結(jié)構(gòu)之間耦合界面的位形事先未知，它們之間的相互作用是典型的流固耦合問(wèn)題，調(diào)節(jié)閥內(nèi)流體與閥芯的這種流固耦合作用又影響閥內(nèi)流場(chǎng)的空間分布規(guī)律，會(huì)誘發(fā)出耦合振動(dòng)、噪聲，還會(huì)產(chǎn)生超常壓力、應(yīng)力等，使調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生各種失穩(wěn)現(xiàn)象，直接影響了工作安全。因此從流固耦合問(wèn)題出發(fā)對(duì)調(diào)節(jié)閥尤其是閥芯和閥桿進(jìn)行準(zhǔn)確的受力分析是調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的重要前提。

　　近年來(lái)，流固耦合問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，這方面的研究涉及許多領(lǐng)域。關(guān)于閥的流固耦合的研究，文獻(xiàn)[2-3]對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行了流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)的耦合分析，研究了節(jié)流閥的流場(chǎng)分布和閥板的受力情況。國(guó)外對(duì)于流固耦合研究非常重視，研究較早。在美國(guó)，有一半以上著名大學(xué)的土木系都投入了對(duì)流固耦合的應(yīng)用研究。20世紀(jì)70年代以來(lái)，管道及管路系統(tǒng)流固耦合問(wèn)題有了長(zhǎng)足進(jìn)展，在眾多模型中較為有代表性的是JournalofFluidsandStructures的創(chuàng)始人MPPaidoussis等學(xué)者的研究工作[4]，英國(guó)的GeorgePapadakis[5]提出了一種解決流固耦合問(wèn)題的新方法，可以應(yīng)用于預(yù)測(cè)管道的壓力波動(dòng)。但是，在系統(tǒng)耦合特性的研究中，閥常作為耦合邊界條件處理，主要研究閥門前管路系統(tǒng)耦合特性，或者研究的閥芯多為錐形或楔形閥芯，在建立模型過(guò)程中做了大量的簡(jiǎn)化，而且由于不同閥門在結(jié)構(gòu)上存在較大差異，至今沒(méi)有真正通用的研究理論。作者根據(jù)循環(huán)發(fā)電工程中大型煤氣壓力調(diào)節(jié)閥的實(shí)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)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)調(diào)節(jié)閥中流體與閥芯的流固耦合問(wèn)題進(jìn)行研究。

1、控制方程

　　從總體上看，流固耦合作用僅僅發(fā)生在兩相交界面上，在耦合交界處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。在方程上的耦合是由兩相耦合面上的平衡及協(xié)調(diào)來(lái)引入的。

　　采用有限元法來(lái)求解流固耦合問(wèn)題，即對(duì)流體域、結(jié)構(gòu)域均采用有限元方法來(lái)進(jìn)行離散，邊界條件在單元的組合過(guò)程中強(qiáng)迫實(shí)現(xiàn)。假定ΔXfs為耦合系統(tǒng)的變量增量，根據(jù)節(jié)點(diǎn)所在物理域的不同，得簡(jiǎn)化后的耦合振動(dòng)方程[6]。

　　式中：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分別表示為耦合界面處和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)上的變量;Af、As為耦合系統(tǒng)的等效質(zhì)量矩陣;ΔXfI、ΔXfsC、ΔXsI分別為流體域、耦合界面處和結(jié)構(gòu)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)未知數(shù)向量;RfI、RfsC、RsI分別為流體域、耦合界面處和結(jié)構(gòu)域內(nèi)的外力向量。

2、計(jì)算模型及邊界條件

　　調(diào)節(jié)閥內(nèi)氣體的流動(dòng)是復(fù)雜的三維可壓湍流流動(dòng)，調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，公稱通徑為240mm，總長(zhǎng)為700mm，閥芯直徑為200mm。作者依據(jù)大型煤氣壓力調(diào)節(jié)閥的實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立其三維模型，圖2所示為閥芯開度為50%的調(diào)節(jié)閥模型從對(duì)稱面剖開后的狀態(tài)，可看到內(nèi)部區(qū)域結(jié)構(gòu)，閥芯為流體壓力平衡型閥芯。

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)閥工作過(guò)程，流體分析時(shí)以閥芯—閥座—閥體的內(nèi)流道作為仿真計(jì)算域，由于閥內(nèi)氣體流動(dòng)為湍流流動(dòng)，因此分析時(shí)取完整流道，同時(shí)為確保入口和出口處流體單向流動(dòng)而不產(chǎn)生回流，將入口和出口管分別延長(zhǎng)150mm，如圖3所示。圖4為調(diào)節(jié)閥平衡型閥芯的三維模型，用于流固耦合分析中的結(jié)構(gòu)分析。

圖3 內(nèi)流道仿真計(jì)算域

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(shí)際結(jié)構(gòu)和條件設(shè)定，圖5為開度50%時(shí)閥芯與計(jì)算流道的裝配圖。

圖5 閥芯與計(jì)算流道的裝配圖(開度50%時(shí))

　　根據(jù)調(diào)節(jié)閥在鋼廠使用時(shí)的實(shí)際條件，煤氣進(jìn)口壓力為2.45MPa，而循環(huán)發(fā)電工程采用48MW的燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組，要求輸入的煤氣壓力約為2.35MPa，因此流體分析時(shí)設(shè)定調(diào)節(jié)閥入口和出口均采用壓力條件，閥芯、閥座和閥體設(shè)定為光滑壁面邊界條件，初始條件由計(jì)算條件決定。應(yīng)用K-ε兩方程湍流模型來(lái)描述湍流模型。通過(guò)計(jì)算，得到流固耦合分析結(jié)果。

3、數(shù)值結(jié)果與分析

　　3.1、流固耦合對(duì)速度矢量的影響

　　圖6和7分別為未考慮流固耦合作用和考慮耦合作用時(shí)流體在對(duì)稱面上的速度矢量分布，顯示了流固耦合對(duì)速度分布以及流體在調(diào)節(jié)閥內(nèi)形成漩渦的影響大小。可以看到：當(dāng)開度為25%時(shí)，流固耦合影響并不大，無(wú)論是否考慮流固耦合影響，速度最大值都主要發(fā)生在靠近出口一側(cè)的節(jié)流處，而漩渦主要在閥芯的下方產(chǎn)生;當(dāng)開度為50%時(shí)，考慮流固耦合時(shí)，靠近進(jìn)口一側(cè)的節(jié)流處速度有所增大，但速度最大處仍是在靠近出口一側(cè)的節(jié)流處，漩渦主要發(fā)生在平衡型閥芯的內(nèi)側(cè)，而未考慮耦合時(shí)漩渦主要發(fā)生在閥芯的下方;隨著開度的繼續(xù)增大，當(dāng)達(dá)到75%時(shí)，未考慮流固耦合的流場(chǎng)速度較大值出現(xiàn)在節(jié)流口附近以及閥體的底部，并且漩渦仍然在閥芯的下方，而考慮流固耦合作用時(shí)，靠近進(jìn)口一側(cè)的節(jié)流口附近速度最大，漩渦非常明顯地出現(xiàn)在閥芯內(nèi)側(cè)。由于氣流在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的擾動(dòng)，即流體通過(guò)調(diào)節(jié)閥時(shí)所形成的漩渦和湍流是調(diào)節(jié)閥內(nèi)產(chǎn)生能耗和流體噪聲的根源，通過(guò)對(duì)漩渦和湍流分布的分析，可以揭示調(diào)節(jié)閥內(nèi)氣體流動(dòng)的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致閥門的振動(dòng)，而其中閥桿-閥芯的振動(dòng)表現(xiàn)比較明顯的原因，這也進(jìn)一步說(shuō)明當(dāng)考慮流固耦合作用時(shí)分析結(jié)果更加符合實(shí)際。

圖6 未考慮耦合作用時(shí)流體速度矢量圖

圖7 考慮耦合作用時(shí)流體速度矢量圖

　　3.2、流固耦合對(duì)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(wèn)題出發(fā)對(duì)調(diào)節(jié)閥尤其是閥芯和閥桿進(jìn)行準(zhǔn)確的受力分析是調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的重要前提。圖8和9分別為考慮流固耦合時(shí)平衡型閥芯的等效應(yīng)力分布和閥芯變形情況。

圖8 閥芯Mises等效應(yīng)力分布

圖9 閥芯變形情況

　　從圖8可以看到，等效應(yīng)力最大值都是出現(xiàn)在閥芯和閥桿的連接處，即這一部位為閥芯的最危險(xiǎn)區(qū)域，并且隨著開度增大，應(yīng)力值也是逐漸增大的，這是由于當(dāng)閥開度較大時(shí)，節(jié)流產(chǎn)生的壓降比較小，從而使平衡型閥芯內(nèi)的壓力也比較大，此時(shí)的閥芯受力情況較惡劣。圖9為在流固耦合作用下的變形情況，這種變形主要是由作用在結(jié)構(gòu)上的氣體彈性動(dòng)力引起的。通過(guò)變形量可以知道在何處變形以及變形的大小。可以看到：任一開度下的閥芯和閥桿，其變形量都是不均勻的，最大變形量發(fā)生在閥芯的底部。隨著調(diào)節(jié)閥開度的增大，閥芯和閥桿的變形量逐漸減小，當(dāng)處于小開度狀態(tài)時(shí)，閥芯和閥桿的變形量值相對(duì)較大，但相對(duì)于閥芯本身的尺寸，變形量還是很小的。因此設(shè)計(jì)大型壓力調(diào)節(jié)閥時(shí)要選擇開度較大的情況、進(jìn)行更加詳細(xì)的流固耦合分析，以使其在結(jié)構(gòu)上能夠獲得優(yōu)化，防止失效破壞現(xiàn)象產(chǎn)生。而且要特別注意調(diào)節(jié)閥處于大開度狀態(tài)下閥芯和閥桿的安全，從而保證閥芯和閥桿的正常工作和使用壽命。

　　3.3、流固耦合對(duì)流場(chǎng)壓力的影響

　　流固耦合的特點(diǎn)在于固體變形不僅取決于運(yùn)動(dòng)流體所給予的載荷，而且反過(guò)來(lái)影響流體的運(yùn)動(dòng)，從而改變了作用于固體表面的載荷。從閥芯上取不同位置的兩點(diǎn)，其位置如圖10所示，點(diǎn)1位于閥桿上，點(diǎn)2位于閥芯的底部外側(cè)。分別監(jiān)測(cè)這兩個(gè)位置在無(wú)耦合和考慮耦合時(shí)的流場(chǎng)壓力，表1中，p0代表未考慮流固耦合時(shí)該位置流場(chǎng)的壓力大小，p1代表考慮流固耦合時(shí)該位置流場(chǎng)壓力大小，(p1-p0)/p0的百分比則反映流固耦合對(duì)流場(chǎng)壓力影響的大小。

圖10 觀測(cè)點(diǎn)位置

圖11 耦合對(duì)流場(chǎng)壓力的影響

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化

　　圖11為不同開度下點(diǎn)1和點(diǎn)2位置流固耦合對(duì)流場(chǎng)壓力的影響情況，結(jié)果表明，流固耦合對(duì)不同位置的流場(chǎng)壓力是有影響的，對(duì)點(diǎn)1位置即靠近閥桿的位置流固耦合的影響較大，特別是當(dāng)開度達(dá)到75%時(shí)，影響系數(shù)達(dá)到最大值。因此當(dāng)開度為75%附近時(shí)，流固耦合對(duì)閥桿處流場(chǎng)壓力的影響是不能忽略的。

4、結(jié)論

　　作者根據(jù)循環(huán)發(fā)電工程中大型煤氣壓力調(diào)節(jié)閥的實(shí)際結(jié)構(gòu)和條件，建立了調(diào)節(jié)閥流固耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)調(diào)節(jié)閥中流體與閥芯的流固耦合問(wèn)題進(jìn)行了研究。分析了在不同開度下，流固耦合對(duì)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(dòng)的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致閥桿-閥芯的振動(dòng)表現(xiàn)比較明顯的原因，進(jìn)一步說(shuō)明當(dāng)考慮流固耦合作用時(shí)分析結(jié)果更加符合實(shí)際;探討了在大流量煤氣壓力作用下的閥芯和閥桿的等效應(yīng)力分布以及變形情況，認(rèn)為最大等效應(yīng)力值都是出現(xiàn)在閥芯和閥桿的連接處，因此設(shè)計(jì)大型壓力調(diào)節(jié)閥時(shí)要對(duì)該部位進(jìn)行更加詳細(xì)的分析，以使其在結(jié)構(gòu)上能夠獲得優(yōu)化，防止失效破壞現(xiàn)象產(chǎn)生，而且當(dāng)開度較大時(shí)等效應(yīng)力相對(duì)較大，因此要特別注意調(diào)節(jié)閥處于大開度狀態(tài)下閥芯和閥桿的安全，從而保證閥芯和閥桿的正常工作和使用壽命;研究了流固耦合對(duì)流場(chǎng)壓力的影響，認(rèn)為當(dāng)閥的開度在75%附近時(shí)，流固耦合對(duì)流場(chǎng)作用于閥桿處壓力的影響相對(duì)較大，是不能忽略的。因此，從流固耦合問(wèn)題出發(fā)研究大型煤氣壓力調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥在流固耦合作用下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于提高我國(guó)大型調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)研究水平，具有重要的生產(chǎn)實(shí)際意義。

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