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安全阀泄放过程的CFD数值模拟研究

2020-12-02阅读(803)

安全阀泄放过程的CFD数值模拟研究

论文摘要

安全阀作为保证系统安全的最重要的手段之一,被大量应用在各种热能动力领域的承压容器以及管道中,目前对安全阀的研究包括实验研究、数值模拟和辅助性的理论计算。由于安全阀所处环境的局限性,本文结合某核电站在检修期间对安全阀的泄压性能试验的结果,采用数值模拟的方法,通过设置不同的工艺系统参数,来评估主蒸汽管道内的压力和温度对安全阀主阀阀门开启时间的影响;根据计算结果,初步分析和论述安全阀开启超时的潜在原因,为该阀门的运行、调试、试验和维修活动提供指导。其次采用复杂的变拓扑的动网格数值模拟方法研究高温蒸汽安全阀瞬态泄压特性和影响泄压性能的因素,进而改进安全阀的结构,达到优化设计的目的。模拟的对象为SE280类型阀门,属于弹簧式安全阀,包括先导式电磁阀和主阀两部分。建立安全阀的三维模型,模拟先导式电磁阀泄压阶段（阀瓣处于静止时）的安全阀瞬态泄压特性,研究了安全阀内不同截面的流场特性（压力场、温度场、速度场以及马赫数）和安全阀进出口的流量特性;定量研究了安全阀内关键结构参数对主阀阀门开启时间的影响程度,得出电磁阀泄压孔（孔D）与导向筒联接处面积对主阀开启时间影响最大;安全阀内流场参数在局部区域变化剧烈,会出现超声速流动,产生激波现象。采用CFD模拟技术,自定义了复杂动网格变形技术模拟阀门泄压的动作过程。研究了蒸汽安全阀动态泄压特性和主阀阀瓣的动力学特性;并研究了在不同入口压力工况下的阀瓣的动力学特性:主阀的阀门开启时间随入口压力增加而变长;阀瓣的动作时间在几十毫秒就可以达到最大开启高度处;安全阀全开启流量特性与阀瓣的形状有很大的关系,根据文献得出的结果,本文安全阀几何模型中的阀瓣形状与文献中的结果较吻合,也验证了数值模拟结果的准确程度。采用控制变量法,利用变形的动网格技术研究了不同过热度、不同湍流模型和不同工质对安全阀瞬态泄压性能的影响,可实现的k-ε湍流模型和增加蒸汽的过热度可以使安全阀快速开启,以天然气为工质得到的安全阀阀门全开启时间与水蒸气相近,为后续安全阀实验提供了可能性;也研究了阀瓣在不同开度下的下部出口管道流场特性,在开启高度60 mm范围内时,出口流道内参数受阀瓣与密封面之间的帘面积影响较大;当开启高度大于60mm时,出口流场参数变化较前一阶段变化不明显,受外部大气环境的影响较大。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 引言
  •   1.1 研究背景
  •   1.2 安全阀简介
  •     1.2.1 安全阀分类
  •     1.2.2 安全阀工作原理和存在问题
  •     1.2.3 安全阀压力种类和流量特性
  •   1.3 安全阀国内外研究进展
  •     1.3.1 国内外安全阀试验研究现状
  •     1.3.2 国内外安全阀数值模拟研究现状
  •   1.4 研究现状总结
  •   1.5 课题研究内容和意义
  •     1.5.1 本文主要研究内容
  •     1.5.2 课题研究意义
  •   1.6 本章小结
  • 2 安全阀泄压流场数值模拟基础
  •   2.1 计算流体力学基础
  •     2.1.1 计算流体力学概述
  •     2.1.2 CFD模拟特点
  •   2.2 流体控制方程
  •   2.3 湍流模型
  •     2.3.1 湍流模型特点
  •     2.3.2 CFD湍流模型
  •     2.3.3 K-Epsilon两方程湍流模型
  •   2.4 动网格模拟基础
  •     2.4.1 动网格数值模拟技术介绍
  •     2.4.2 变形网格（Deformed mesh）
  •   2.5 安全阀时间特性定义
  •   2.6 本章小结
  • 3 安全阀阀瓣静止阶段泄压特性研究
  •   3.1 仿真模型的建立
  •     3.1.1 三维模型
  •     3.1.2 数学模型
  •     3.1.3 网格模型
  •     3.1.4 CFD模型边界和求解设置
  •   3.2 网格敏感性分析
  •   3.3 安全阀进出口流量和压力特性
  •     3.3.1 安全阀进出口流量特性
  •     3.3.2 安全阀上部腔室压力特性
  •   3.4 先导电磁阀泄压阶段安全阀内流场特性
  •     3.4.1 安全阀初始流场特性
  •     3.4.2 安全阀纵剖面1的流场特性（包含孔A和孔B）
  •     3.4.3 安全阀纵剖面2的流场特性（包含孔C、孔D和电磁阀消音器）
  •     3.4.4 安全阀纵剖面3流场变化（包含电磁阀、消音器和出口管道）
  •     3.4.5 安全阀剖面4流场变化
  •   3.5 不同工况安全阀开启特性
  •   3.6 关键结构参数对安全阀主阀阀门开启时间的影响
  •     3.6.1 安全阀主阀的阀瓣与导向筒间隙影响
  •     3.6.2 主阀阀瓣顶部端面与孔D上端距离的影响
  •     3.6.3 先导式电磁阀开度的影响
  •     3.6.4 电磁阀出口背压的影响
  •     3.6.5 孔A直径变化的影响
  •     3.6.6 孔C直径变化的影响
  •   3.7 安全阀主阀阀门开启时间影响总结
  •   3.8 试验验证
  •     3.8.1 核电站检修试验原理分析
  •     3.8.2 CFD数值模型验证
  •   3.9 本章小结
  • 4 安全阀动作泄压特性研究
  •   4.1 基于动网格的新三维模型建立
  •   4.2 安全阀动网格模型的建立
  •     4.2.1 网格模型的比较
  •     4.2.2 安全阀动网格的划分
  •     4.2.3 动网格的网格敏感性分析
  •   4.3 安全阀动作泄压特性研究
  •     4.3.1 动网格特性
  •     4.3.2 安全阀瞬态动作泄压流场特性
  •     4.3.3 安全阀阀瓣动力学特性
  •     4.3.4 不同工况阀瓣动力学特性
  •     4.3.5 安全阀流量特性研究
  •   4.4 本章小结
  • 5 安全阀泄压特性影响因素研究
  •   5.1 不同湍流模型对安全阀动态泄压特性的影响
  •   5.2 蒸汽过热度对安全阀动态泄压特性的影响
  •   5.3 主阀阀瓣不同开高对出口管道流场参数的影响
  •   5.4 工质对安全阀泄压动作性能的影响
  •   5.5 本章小结
  • 6 结论与展望
  •   6.1 结论
  •   6.2 展望
  • 参考文献
  • 附录A
  • 主要符号表
  • 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果
  • 学位论文数据集

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 张振华

    导师: 贾力

    关键词: 安全阀,关键结构参数,动网格,瞬态泄压特性

    来源: 北京交通大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

    专业: 力学,核科学技术,电力工业

    单位: 北京交通大学

    分类号: TM623.8;O35

    DOI: 10.26944/d.cnki.gbfju.2019.000942

    总页数: 110

    文件大小: 8391K

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