钢厂在生产过程中会产生大量的焦炉和高炉气体。为了降低钢厂的整体能耗和材料消耗，减少环境污染，许多钢厂开始利用废气发电，发展循环经济。钢厂循环发电工程中使用的气轮发电机组需要稳定的输入气体压力。如何实现气体压力稳定和快速响应是钢厂循环发电工程中的一个常见问题。调节阀的稳定性主要取决于调节阀内的气体流动，与流动状态密切相关。因此，研究阀门的稳定性，首先研究阀门内的气体流动及其基本规律，以及流体与固体之间的相互作用[1]。调节阀内大流量气体的流动是一种复杂的非三维可压湍流流动，大型气压调节阀结构复杂，阀内的流动边界极其复杂，流体与结构之间耦合界面的位置未知，其相互作用是典型的流固耦合问题，调节阀芯的流动是一个复杂的非三维可压湍流流流动流动流动，大气压力调节阀结构复杂，大气压力调节阀结构复杂，阀内的流动边界极其复杂，流动边界极其复杂，流动边界极其复杂，流动边界极其复杂，流动边界极其复杂。
近年来，流固耦合问题越来越受到人们的重视，涉及许多领域。关于阀门流固耦合的研究，文献[2-3]分析了节流阀的流场和结构场，研究了节流阀的流场分布和阀板的应力。国外非常重视流固耦合的研究，研究较早。在美国，一半以上著名大学的土木工程系已经投资于对流固耦合的应用研究。自20世纪70年代以来，管道和管道系统的流固耦合问题取得了巨大的进展。在许多模型中，更具代表性的是JournalofFluidsandStructures的创始人MPPaidoussis英国等学者的研究工作[4]GeorgePapadakis[5]提出了一种新的解决流固耦合问题的方法，可用于预测管道的压力波动。然而，在系统耦合特性的研究中，阀门往往作为耦合边界条件，主要研究阀门前管道系统耦合特性，或大多数阀芯为锥形或楔形阀芯，在建立模型的过程中，由于不同阀门的结构差异较大，没有真正的通用研究理论。根据循环发电工程中大型气压调节阀的实际结构和工作条件，建立了调节阀流固耦合系统的动力学模型，研究了调节阀中流体与阀芯的流固耦合。
1 控制方程
一般来说，流固耦合仅发生在两相交界面上，流体和弹性体具有相同的速度和压力，这是流固耦合的边界条件。方程耦合是由两相耦合表面的平衡和协调引入的。
采用有限元法解决流固耦合问题，即在单元组合过程中强制实现流体域和结构域的离散。ΔXfs简化的耦合振动方程[6]是耦合系统的变量增量。
中：上标f和s分别表示为流体域和结构域；下标C和I分别表示耦合界面和内部节点的变量；Af、As耦合系统等效质量矩阵；ΔXfI、ΔXfsC、ΔXsI流体域、耦合界面和结构域的节点未知数向量；RfI、RfsC、RsI分别是流体域、耦合界面和结构域的外力向量。
2 计算模型和边界条件
调节阀内气体的流动是复杂的三维可压湍流。调节阀结构如图1所示，公称直径为240mm，总长为700mm，阀芯直径为200mm。根据大型气压调节阀的实际结构，作者建立了其三维模型。图2显示了阀芯开度为50%的调节阀模型从对称面切割后的状态，可以看到内部区域结构。阀芯为流体压力平衡阀芯。
图1 调节阀示意图
图2 调节阀三维模型
根据调节阀的工作过程，流体分析以阀芯-阀座-阀体的内流道为模拟计算域。由于阀内气体流动为湍流流动，分析时取出完整的流道。同时，为了保证入口和出口流体的单向流动而不回流，入口和出口管分别延长150mm，如图3所示。图4为流固耦合分析中调节阀平衡阀芯的三维模型。
图3
图4 阀芯结构
流固耦合分析模型和边界条件根据循环发电工程中调节阀的实际结构和条件设置，图5为阀芯和计算流道开度50%时的装配图。
图5 阀芯与计算流道的装配图(开度50%)
根据钢厂使用调节阀的实际情况，进气压力为2.45MPa，循环发电工程采用488MW对于燃气轮发电机组，输入的燃气压力约为2.35MPa，因此，在流体分析中，调节阀的入口和出口采用压力条件，阀芯、阀座和阀体设置为光滑的壁边界条件，初始条件由计算条件决定。应用程序K-ε两方程湍流模型描述湍流模型。流固耦合分析结果通过计算得到。
3 数值结果及分析
3.1 流固耦合对速度矢量的影响
图6和7分别是流体在对称表面的速度矢量分布，不考虑流固耦合和对称表面的速度矢量分布，显示了流固耦合对速度分布和流体在调节阀中形成漩涡的影响。可以看出，当开度为25%时，流固耦合的影响不大。无论是否考虑流固耦合的影响，最大速度值主要发生在出口侧附近的节流处，而漩涡主要发生在阀芯下方；当开度为50%时，考虑流固耦合时，进口侧附近的节流处速度增加，但最大速度仍在出口侧附近的节流处，漩涡主要发生在平衡阀芯内侧，而不考虑耦合时，漩涡主要发生在阀芯下方；随着开度的不断增加，当达到75%时，不考虑流固耦合的大流场速度值出现在节流口附近和阀体底部，漩涡仍在阀芯下方。
图6 流体速度矢量图没有考虑耦合
图7
3.2 流固耦合对阀芯等效应力的影响
调节阀在流体作用下受力复杂，因此从流固耦合问题出发，准确分析调节阀，特别是阀芯和阀杆，是调节阀设计的重要前提。图8和9分别考虑了流固耦合时平衡阀芯的等效应力分布和阀芯的变形。
图8 阀芯Mises等效应力分布
图9 阀芯变形
从图8可以看出，等效应力的最大值出现在阀芯与阀杆的连接处，即这部分是阀芯最危险的区域，随着开度的增加，应力值也逐渐增加。这是因为当阀门开度较大时，节流产生的压降相对较小，因此平衡阀芯中的压力也相对较大。此时，阀芯受力较差。图9显示了流固耦合作用下的变形，主要是由作用于结构的气体弹性动力引起的。通过变形量可以知道在哪里变形和变形。可以看出，任何开度下的阀芯和阀杆的变形量都是不均匀的，最大变形量发生在阀芯底部。随着调节阀开度的增加，阀芯和阀杆的变形量逐渐减小。当处于小开度状态时，阀芯和阀杆的变形值相对较大，但与阀芯本身的尺寸相比，变形量仍然很小。因此，在设计大压力调节阀时，应选择开度较大的情况，并进行更详细的流固耦合分析，以防止其在结构上的损坏和使用寿命。
3.3 流固耦合对流场压力的影响
流固耦合的特点是，固体变形不仅取决于运动流体给出的载荷，而且反过来影响流体的运动，从而改变了作用于固体表面的载荷。从阀芯上取出不同位置的两点，如图10所示。点1位于阀杆上，点2位于阀芯底部外。在表1中，p当流固耦合不考虑位置流场的压力时，p1代表流固耦合时流场压力的位置，（p1－p0）/p0的百分比反映了流固耦合对流场压力的影响。
图10 观测点位置
图11 耦合对流场压力的影响
表1 监测点压力变化
图11是不同开度下点1和点2位置流固耦合对流场压力的影响。结果表明，流固耦合对不同位置的流场压力有影响。对点1位置对阀杆附近的流固耦合有很大影响，特别是当开度达到75%时。因此，当开度接近75%时，流固耦合对阀杆处流场压力的影响不容忽视。
4 结论
根据循环发电工程中大型气压调节阀的实际结构和条件，建立了调节阀流固耦合系统的动力学模型，研究了调节阀中流体与阀芯的流固耦合。分析了流固耦合在不同开度下对速度矢量和漩涡形成的影响，揭示了调节阀内气体流动不稳定会导致阀杆-阀芯振动性能明显的原因，进一步说明了流固耦合时分析结果更加实用；探讨了大流量气压作用下阀芯与阀杆的等效应力分布和变形，认为最大等效应力值出现在阀芯与阀杆的连接处，因此在设计大型压力调节阀时，应对该部件进行更详细的分析，以优化其结构，防止失效损坏，并在开度较大时等效应力较大，因此应特别注意调节阀处于大开度状态下，以确保阀芯与阀杆的安全，从而提高阀杆的正常工作和使用寿命。
参考文献：
[1]屠珊.研究汽轮机调节阀内气体流动引起的阀门不稳定性[D].西安:2002年西安交通大学.3.
[2]严宇、张力、张钊源.分析研究节流阀失效的流固耦合[J].石化安全技术，2006，22(2):44-47.
[3]张传涛、单代伟、栾金堂等.高压孔板节流阀流固耦合分析[J].2007年2007，35(10).
[4]PAIDOUSSISMP，LIGX.PipesConveyingFluid：AModelDynamicalProblem[J].JournalofFluidsandStructure，1993，7（2）：137－204.
[5]PAPADAKISGeorge.ANovelPressure-velocityFormula-tionandSolutionMethodforFluid-structureInteractionProblems[J].JournalofComputationalPhysics，2008，227：3383－3404.
钱若军，董石林，袁行飞.流固耦合理论研究进展[J].空间结构，2008，14（1）：3－15.
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