炼钢厂在生产过程中会造成很多的加热炉和焦炉煤气。为了更好地减少炼钢厂的整体耗能和物料消耗、降低空气污染，现阶段很多炼钢厂逐渐运用废液化气发电量，发展趋势绿色经济。炼钢厂循环系统发电量工程项目选用的天然气轮柴油发电机，规定导入的液化气工作压力平稳。怎样完成液化气稳压管、完成快速响应是炼钢厂循环系统发电量项目的共性问题。而调节阀门的可靠性大多数在于调节阀门内的空气流动性，且与流动情况息息相关，因此，科学研究闸阀可靠性优劣最先就需要科学研究阀内汽体流动性以及基本定律，及其液体同固态的相互影响[1]。调节阀门内大流量液化气的流动性是繁杂的非定常三维可压中合流动性，而且大中型液化气压力控制阀构造繁琐，阀内的流动性界限也极为繁杂，液体和构造中间藕合页面的位形事前不明，他们中间的相互影响是非常典型的流固耦合问题，调节阀门内液体与阀心的这类流固耦合功效又危害阀内势流的空间布局规律性，会引起出藕合震动、噪音，还会继续造成较快工作压力、内应力等，使调节阀门造成各种各样失衡状况，立即影响到了工作中安全性。因而从流固耦合问题考虑对调节阀门尤其是阀心和阀座开展精确的应力分析是调节阀门设计方案的主要前提条件。
近些年，流固耦合问题愈来愈得到我们的高度重视，这方面的分析涉及到众多行业。有关阀的流固耦合的科学研究，参考文献[2－3]对单向节流阀开展了势流和构造场的耦合电路剖析，科学研究了单向节流阀的势流遍布和多孔板的支承状况。海外针对流固耦合科学研究十分重视，科学研究较早。在国外，有一半以上著名大学的土木系都付出了对流固耦合的应用研究。20时代70年代至今，管路及管道系统软件流固耦合问题拥有长足进展，在诸多实体模型中比较有标志性的是JournalofFluidsandStructures的创办人MPPaidoussis等专家的探讨工作中[4]，美国的GeorgePapadakis[5]明确提出了一种处理流固耦合问题的新方式 ，可以运用于预测分析管路的工作压力起伏。可是，在系统软件藕合性能的探讨中，阀常做为藕合初始条件解决，关键科学研究闸阀前管道系统软件藕合特点，或是科学研究的阀心多见锥型或契形阀心，在创建实体模型全过程中进行了很多的简单化，并且因为不一样闸阀结构类型存有很大差别，迄今并没有真真正正通用性的科学研究基础理论。创作者依据循环系统发电量工程项目中大中型液化气压力控制阀的具体构造和工作标准，创建了调节阀门流固耦合系统软件动力学模型，对调节阀门中液体与阀心的流固耦合问题开展科学研究。
1 操纵方程式
大体上看，流固耦合功效只是出现在两交叉页面上，在藕合交汇处液体和弹性体材料具备同样的效率和工作压力，这也是流固耦合的初始条件。在方程式上的藕合是由两相耦合表面的均衡及融洽来引进的。
选用有限元原理来求得流固耦合问题，即对液体域、结构域均选用有限元方法来开展离散变量，初始条件在模块的组成全过程中逼迫完成。假设ΔXfs为藕合体系的自变量增加量，依据连接点所属物理学域的不一样，得简单化后的藕合振动方程[6]。
式中：标注f和s各自表述为液体域和结构域；字符C和I各自表述为藕合页面处和内部结构连接点上的自变量；Af、As为藕合体系的等效电路品质引流矩阵；ΔXfI、ΔXfsC、ΔXsI各自为液体域、藕合页面处和结构域内的连接点未知量空间向量；RfI、RfsC、RsI各自为液体域、藕合页面处和结构域内的外力作用空间向量。
2 测算实体模型及初始条件
调节阀门内空气的流动性是繁杂的三维可压中合流动性，调节阀门构造如下图1所显示，公称直径管径为240mm，总长度为700mm，阀心孔径为200mm。创作者根据大中型液化气压力控制阀的具体构造，创建其三维模型，图2一样为阀心开启度为50%的调节阀门实体模型从对称性面割开后的情况，可见到内部结构地区构造，阀心为液体工作压力均衡型阀心。
图1 调节阀门平面图
图2 调节阀门三维模型
依据调节阀门工作中全过程，液体剖析时以阀心—高压闸阀—油路板的内流道做为模拟仿真测算域，因为阀内汽体流动性为中合流动性，因而剖析时取详细流道，与此同时为保证通道和出入口液体单边流动性而不造成流回，将通道和出入口管各自增加150mm，如下图3所显示。图4为调节阀门均衡型阀心的三维模型，用以流固耦合剖析中的结构特征。
图3 内过流道模拟仿真测算域
图4 阀心构造
流固耦合分析方法和初始条件依据循环系统发电量工程项目中调节阀门的具体构造和标准设置，图5为开启度50%时阀心与测算过流道的cad零件图。
图5 阀心与测算过流道的cad零件图（开启度50%时）
依据调节阀门在炼钢厂应用时的现实标准，液化气进口的工作压力为2.45MPa，而循环系统发电量工程项目选用48MW的天然气轮柴油发电机，规定导入的液化气工作压力约为2.35MPa，因而液体剖析时设置调节阀门通道和出口处均选用工作压力标准，阀心、高压闸阀和油路板设置为光洁边界层初始条件，状态变量由测算标准决策。运用K-ε两方程式湍流模型来叙述湍流模型。根据测算，获得流固耦合剖析结论。
3 标值效果与剖析
3.1 流固耦合对速率矢量素材的危害
图6和7各自为未考虑到流固耦合功效和考虑到耦合作用时液体在对称性表面的速率矢量素材遍布，表明了流固耦合对速率遍布及其液体在调节阀门内产生涡旋的危害尺寸。能够看见：当开启度为25%时，流固耦合危害并不算太大，无论是不是考虑到流固耦合危害，速率最高值都具体出现在挨近出入口一侧的节流阀处，而涡旋关键在阀心的下边造成；当开启度为50%时，考虑到流固耦合时，挨近进口的一侧的节流阀处速率有一定的扩大，但速率较大处仍是在挨近出入口一侧的节流阀处，涡旋关键出现在均衡型阀心的里侧，而未考虑到藕合时涡旋关键出现在阀心的下边；伴随着开启度的再次扩大，当做到75%时，未考虑到流固耦合的势流速率比较大值发生在节流阀口周边及其油路板的底端，而且涡旋依然在阀心的下边，而考虑到流固耦合功效时，挨近进口的一侧的节流阀口周边速率较大，涡旋十分明显地出現在阀心里侧。因为气体在流通环节中形成的振荡，即液体根据调节阀门时需生成的涡旋和中合是调节阀门内造成耗能和液体噪音的根本原因，根据对涡旋和中合遍布的剖析，可以揭露调节阀门内汽体流动性的不稳定会造成其它的震动，而在其中阀座－阀心的震动主要表现较为突出的缘故，这也进一步表明当考虑到流固耦合功效时剖析結果更切合实际。
图6 未考虑到耦合作用时液体速率矢量图片
图7 考虑到耦合作用时液体速率矢量图片
3.2 流固耦合对阀心等效应力的危害
调节阀门在液体功效下承受力繁杂，因而从流固耦合问题考虑对调节阀门尤其是阀心和阀座开展精确的应力分析是调节阀门设计方案的主要前提条件。图8和9各自为考虑到流固耦合时均衡型阀心的等效应力遍布和阀心形变状况。
图8 阀心Mises等效应力遍布
图9 阀心形变状况
从图8能够看见，等效应力最高值全是发生在阀心和阀座的相接处，即这一位置为阀心的最风险地区，而且伴随着开启度扩大，内应力值也是慢慢增加的，这也是因为当阀开启度比较大时，节流阀造成的压力降较为小，进而使均衡型阀心内的负担也非常大，这时的阀心承受力状况较极端。图9为在流固耦合功效下的形变状况，这类形变主要是由功效结构类型的汽体延展性驱动力造成的。根据形变量可以了解在哪里形变及其形变的尺寸。能够看见：任一开度下的阀心和阀座，其形变量全是不匀称的，较大形变量产生在阀心的底端。伴随着调节阀门开启度的扩大，阀心和阀座的形变量慢慢减少，当处在小开启度情况时，阀心和阀座的形变数值相对性比较大，但比较于阀心自身的规格，形变量或是不大的。因而设计方案大中型压力控制阀时要挑选开启度很大的状况、开展更为具体的流固耦合剖析，以便其结构类型可以得到提升，避免无效毁坏状况造成。并且要需注意调节阀门处在大开启度情况下阀心和阀座的安全性，进而确保阀心和阀座的常规运行和使用期限。
3.3 流固耦合热对流场工作压力的危害
流固耦合的优点取决于固态形变不但在于健身运动液体所提供的荷载，并且相反危害液体的健身运动，进而转变了功效于液体表层的荷载。从阀心上取不一样部位的二点，其部位如下图10所显示，点1坐落于阀座上，点2坐落于阀心的底端两侧。各自检测这两个部位在无藕合和考虑到藕合时的势流工作压力，表1中，p0意味着未考虑到流固耦合时该部位势流的工作压力尺寸，p1意味着考虑到流固耦合时该部位势流工作压力尺寸，（p1－p0）/p0的比例则体现流固耦合热对流场工作压力危害的尺寸。
图10 观测点部位
图11 藕合热对流场工作压力的危害
表1 监控点工作压力转变
图11为不一样开启度用点1和点2部位流固耦合热对流场工作压力的危害状况，结果显示，流固耦合对不一样部位的势流工作压力是有影响的，追线1部位即挨近阀座的部位流固耦合的危害比较大，尤其是当开启度做到75%时，危害指数做到最高值。因而当开启度为75%周边时，流固耦合对阀座处势流工作压力的直接影响是无法忽视的。
4 结果
创作者依据循环系统发电量工程项目中大中型液化气压力控制阀的具体构造和标准，创建了调节阀门流固耦合系统软件动力学模型，对调节阀门中液体与阀心的流固耦合问题开展了科学研究。剖析了在不一样开启度下，流固耦合对速率矢量和涡旋产生的危害，揭露了调节阀门内汽体流动性的不稳定会造成阀座－阀心的震动主要表现较为突出的缘故，进一步表明当考虑到流固耦合功效时剖析結果更切合实际；讨论了在大流量液化气工作压力的作用下的阀心和阀座的等效应力遍布及其形变状况，觉得较大等效应力值全是发生在阀心和阀座的相接处，因而设计方案大中型压力控制阀时要对该位置开展更为具体的剖析，以便其结构类型可以得到提升，避免无效毁坏状况造成，并且当开启度比较大时等效应力相对性比较大，因而要需注意调节阀门处在大开启度情况下阀心和阀座的安全性，进而确保阀心和阀座的常规运行和使用期限；科学研究了流固耦合热对流场工作压力的危害，觉得当阀的开启度在75%周边时，流固耦合热对流场功效于阀座处工作压力的危害相应比较大，是无法忽视的。因而，从流固耦合问题考虑科学研究大中型液化气压力控制阀，完成调节阀门在流固耦合功效下的构造可靠性设计，针对增强中国大中型调节阀门的设计方案科学研究水准，具备关键的生产制造现实意义。
论文参考文献：
[1]屠珊.汽轮发电机调节阀门内汽体流动性引起的闸阀多变性科学研究[D].西安市：西安交大，2002.3.
[2]严宇，支撑力，张钊源.单向节流阀无效的流固耦合剖析科学研究[J].石油化工设备安全生产技术，2006，22（2）：44－47.
[3]张传涛，单代伟，栾金堂，等.髙压孔平板式单向节流阀流固耦合剖析[J].化工机械，2007，35（10）：37－39.
[4]PAIDOUSSISMP，LIGX.PipesConveyingFluid：AModelDynamicalProblem[J].JournalofFluidsandStructure，1993，7（2）：137－204.
[5]PAPADAKISGeorge.ANovelPressure-velocityFormula-tionandSolutionMethodforFluid-structureInteractionProblems[J].JournalofComputationalPhysics，2008，227：3383－3404.
[6]钱若军，董石麟，袁行飞.流固耦合基础理论研究成果[J].空间布局，2008，14（1）：3－15.
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