大型煤氣調節閥流固耦合分析

　　根據循環(huán)發(fā)電工程中大型煤氣壓力調節閥的實(shí)際結構和工作條件，建立調節閥流固耦合系統動(dòng)力學(xué)模型，對調節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(kāi)度下流固耦合對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力分布以及變形情況，揭示流固耦合對流場(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節閥，實(shí)現調節閥在流固耦合作用下的結構優(yōu)化設計，對于提高我國大型調節閥的設計研究水平，具有重要的生產(chǎn)實(shí)際意義。

　　鋼廠(chǎng)在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的焦爐和高爐煤氣。為了降低鋼廠(chǎng)的總體能耗和物耗、減少環(huán)境污染，目前許多鋼廠(chǎng)開(kāi)始利用廢煤氣發(fā)電，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟。鋼廠(chǎng)循環(huán)發(fā)電工程采用的燃氣輪發(fā)電機組，要求輸入的煤氣壓力穩定。如何實(shí)現煤氣穩壓、實(shí)現快速響應是鋼廠(chǎng)循環(huán)發(fā)電工程的共性問(wèn)題。而調節閥的穩定性大多取決于調節閥內的氣體流動(dòng)，且與流動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)，因而，研究閥門(mén)穩定性好壞首先就要研究閥內氣體流動(dòng)及其基本規律，以及流體同固體的相互作用[1]。調節閥內大流量煤氣的流動(dòng)是復雜的非定常三維可壓湍流流動(dòng)，并且大型煤氣壓力調節閥結構復雜，閥內的流動(dòng)邊界也極其復雜，流體和結構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，調節閥內流體與閥芯的這種流固耦合作用又影響閥內流場(chǎng)的空間分布規律，會(huì )誘發(fā)出耦合振動(dòng)、噪聲，還會(huì )產(chǎn)生超常壓力、應力等，使調節閥產(chǎn)生各種失穩現象，直接影響了工作安全。因此從流固耦合問(wèn)題出發(fā)對調節閥尤其是閥芯和閥桿進(jìn)行準確的受力分析是調節閥設計的重要前提。

　　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[2-3]對節流閥進(jìn)行了流場(chǎng)和結構場(chǎng)的耦合分析，研究了節流閥的流場(chǎng)分布和閥板的受力情況。國外對于流固耦合研究非常重視，研究較早。在美國，有一半以上著(zhù)名大學(xué)的土木系都投入了對流固耦合的應用研究。20世紀70年代以來(lái)，管道及管路系統流固耦合問(wèn)題有了長(cháng)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]，英國的GeorgePapadakis[5]提出了一種解決流固耦合問(wèn)題的新方法，可以應用于預測管道的壓力波動(dòng)。但是，在系統耦合特性的研究中，閥常作為耦合邊界條件處理，主要研究閥門(mén)前管路系統耦合特性，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(mén)在結構上存在較大差異，至今沒(méi)有真正通用的研究理論。作者根據循環(huán)發(fā)電工程中大型煤氣壓力調節閥的實(shí)際結構和工作條件，建立了調節閥流固耦合系統動(dòng)力學(xué)模型，對調節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)調來(lái)引入的。

　　采用有限元法來(lái)求解流固耦合問(wèn)題，即對流體域、結構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)程中強迫實(shí)現。假定ΔXfs為耦合系統的變量增量，根據節點(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f和s分別表示為流體域和結構域;下標C和I分別表示為耦合界面處和內部節點(diǎn)上的變量;Af、As為耦合系統的等效質(zhì)量矩陣;ΔXfI、ΔXfsC、ΔXsI分別為流體域、耦合界面處和結構域內的節點(diǎn)未知數向量;RfI、RfsC、RsI分別為流體域、耦合界面處和結構域內的外力向量。

2、計算模型及邊界條件

　　調節閥內氣體的流動(dòng)是復雜的三維可壓湍流流動(dòng)，調節閥結構如圖1所示，公稱(chēng)通徑為240mm，總長(cháng)為700mm，閥芯直徑為200mm。作者依據大型煤氣壓力調節閥的實(shí)際結構，建立其三維模型，圖2所示為閥芯開(kāi)度為50%的調節閥模型從對稱(chēng)面剖開(kāi)后的狀態(tài)，可看到內部區域結構，閥芯為流體壓力平衡型閥芯。

圖1 調節閥示意圖

圖2 調節閥三維模型

　　根據調節閥工作過(guò)程，流體分析時(shí)以閥芯—閥座—閥體的內流道作為仿真計算域，由于閥內氣體流動(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(cháng)150mm，如圖3所示。圖4為調節閥平衡型閥芯的三維模型，用于流固耦合分析中的結構分析。

圖3 內流道仿真計算域

圖4 閥芯結構

　　流固耦合分析模型和邊界條件根據循環(huán)發(fā)電工程中調節閥的實(shí)際結構和條件設定，圖5為開(kāi)度50%時(shí)閥芯與計算流道的裝配圖。

圖5 閥芯與計算流道的裝配圖(開(kāi)度50%時(shí))

　　根據調節閥在鋼廠(chǎng)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的燃氣輪發(fā)電機組，要求輸入的煤氣壓力約為2.35MPa，因此流體分析時(shí)設定調節閥入口和出口均采用壓力條件，閥芯、閥座和閥體設定為光滑壁面邊界條件，初始條件由計算條件決定。應用K-ε兩方程湍流模型來(lái)描述湍流模型。通過(guò)計算，得到流固耦合分析結果。

3、數值結果與分析

　　3.1、流固耦合對速度矢量的影響

　　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)流體在對稱(chēng)面上的速度矢量分布，顯示了流固耦合對速度分布以及流體在調節閥內形成漩渦的影響大小�？梢钥吹剑寒旈_(kāi)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)生在靠近出口一側的節流處，而漩渦主要在閥芯的下方產(chǎn)生;當開(kāi)度為50%時(shí)，考慮流固耦合時(shí)，靠近進(jìn)口一側的節流處速度有所增大，但速度最大處仍是在靠近出口一側的節流處，漩渦主要發(fā)生在平衡型閥芯的內側，而未考慮耦合時(shí)漩渦主要發(fā)生在閥芯的下方;隨著(zhù)開(kāi)度的繼續增大，當達到75%時(shí)，未考慮流固耦合的流場(chǎng)速度較大值出現在節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)口一側的節流口附近速度最大，漩渦非常明顯地出現在閥芯內側。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)調節閥時(shí)所形成的漩渦和湍流是調節閥內產(chǎn)生能耗和流體噪聲的根源，通過(guò)對漩渦和湍流分布的分析，可以揭示調節閥內氣體流動(dòng)的不穩定會(huì )導致閥門(mén)的振動(dòng)，而其中閥桿-閥芯的振動(dòng)表現比較明顯的原因，這也進(jìn)一步說(shuō)明當考慮流固耦合作用時(shí)分析結果更加符合實(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、流固耦合對閥芯等效應力的影響

　　調節閥在流體作用下受力復雜，因此從流固耦合問(wèn)題出發(fā)對調節閥尤其是閥芯和閥桿進(jìn)行準確的受力分析是調節閥設計的重要前提。圖8和9分別為考慮流固耦合時(shí)平衡型閥芯的等效應力分布和閥芯變形情況。

圖8 閥芯Mises等效應力分布

圖9 閥芯變形情況

　　從圖8可以看到，等效應力最大值都是出現在閥芯和閥桿的連接處，即這一部位為閥芯的最危險區域，并且隨著(zhù)開(kāi)度增大，應力值也是逐漸增大的，這是由于當閥開(kāi)度較大時(shí)，節流產(chǎn)生的壓降比較小，從而使平衡型閥芯內的壓力也比較大，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構上的氣體彈性動(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�？梢钥吹剑喝我婚_(kāi)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(zhù)調節閥開(kāi)度的增大，閥芯和閥桿的變形量逐漸減小，當處于小開(kāi)度狀態(tài)時(shí)，閥芯和閥桿的變形量值相對較大，但相對于閥芯本身的尺寸，變形量還是很小的。因此設計大型壓力調節閥時(shí)要選擇開(kāi)度較大的情況、進(jìn)行更加詳細的流固耦合分析，以使其在結構上能夠獲得優(yōu)化，防止失效破壞現象產(chǎn)生。而且要特別注意調節閥處于大開(kāi)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動(dòng)流體所給予的載荷，而且反過(guò)來(lái)影響流體的運動(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。分別監測這兩個(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流場(chǎng)壓力影響的大小。

圖10 觀(guān)測點(diǎn)位置

圖11 耦合對流場(chǎng)壓力的影響

表1 監測點(diǎn)壓力變化

　　圖11為不同開(kāi)度下點(diǎn)1和點(diǎn)2位置流固耦合對流場(chǎng)壓力的影響情況，結果表明，流固耦合對不同位置的流場(chǎng)壓力是有影響的，對點(diǎn)1位置即靠近閥桿的位置流固耦合的影響較大，特別是當開(kāi)度達到75%時(shí)，影響系數達到最大值。因此當開(kāi)度為75%附近時(shí)，流固耦合對閥桿處流場(chǎng)壓力的影響是不能忽略的。

4、結論

　　作者根據循環(huán)發(fā)電工程中大型煤氣壓力調節閥的實(shí)際結構和條件，建立了調節閥流固耦合系統動(dòng)力學(xué)模型，對調節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(kāi)度下，流固耦合對速度矢量和漩渦形成的影響，揭示了調節閥內氣體流動(dòng)的不穩定會(huì )導致閥桿-閥芯的振動(dòng)表現比較明顯的原因，進(jìn)一步說(shuō)明當考慮流固耦合作用時(shí)分析結果更加符合實(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力分布以及變形情況，認為最大等效應力值都是出現在閥芯和閥桿的連接處，因此設計大型壓力調節閥時(shí)要對該部位進(jìn)行更加詳細的分析，以使其在結構上能夠獲得優(yōu)化，防止失效破壞現象產(chǎn)生，而且當開(kāi)度較大時(shí)等效應力相對較大，因此要特別注意調節閥處于大開(kāi)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;研究了流固耦合對流場(chǎng)壓力的影響，認為當閥的開(kāi)度在75%附近時(shí)，流固耦合對流場(chǎng)作用于閥桿處壓力的影響相對較大，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節閥，實(shí)現調節閥在流固耦合作用下的結構優(yōu)化設計，對于提高我國大型調節閥的設計研究水平，具有重要的生產(chǎn)實(shí)際意義。

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