超超临界电站锅炉调节阀及管配系统空蚀特性研究

针对超超临界电站锅炉高温减压调节阀国产化及管配系统中存在的问题,结合某火电站超超临界机组361调节阀及管配系统实际使用中管配三通盲板空蚀汽蚀,以两相空化可实现k-ε动力学模型流动控制方程为基础,采用Fluent软件对该调节阀及管配系统开展两相流场空化特性研究,其分析计算结果与实际调节阀及管配系统三通盲板空蚀汽蚀失效情况基本吻合,从而验证了该数值分析方法的合理性。同时,针对所出现的问题,结合分析计算结果对调节阀及管配系统局部结构进行了数值模拟优化,提出了改进设计方案,经分析计算对比与实际应用较好地解决了管配三通盲板空蚀汽蚀问题,表明提出的调节阀空蚀特性研究分析方法的合理性,对电站锅炉调节阀国产化及管配系统设计具有重要的指导意义。     

基于k-ωSST模型的DES方法在空化流动计算中的应用

基于试验结果评价了基于k-ωSST两个方程的DES湍流模型在空化流动中的应用,分别计算了绕Clark-y型水翼云状空化与Hydronautics型水翼超空化流动,获得了随时间变化的空穴形态与流场结构细节。通过与试验结果对比发现,DES方法对于高雷诺数的绕水翼空化流动的预测是合理的,可以准确地模拟出空穴形态的非定常特性和空泡团交替脱落的非定常细节。     

套筒调节阀内部空化流数值模拟与结构优化

针对套筒调节阀内部空化腐蚀、四法兰双导向结构套筒调节阀阀体与下阀盖之间容易泄漏、介质中的杂质容易沉积在下导向部位,使阀芯卡死或关闭不紧等问题,提出一种基于CFD阀门内部空化数值分析方法。通过四法兰套筒调节阀内流场数值分析,给出将四法兰套筒调节阀改为三法兰套筒调节阀的数值模拟分析结果及流道结构优化设计思路。     

抑制调节阀流场空化的响应面结构优化

调节阀流场空化现象会产生空化振动和噪声等不良影响。优化阀内件的结构,抑制流场空化是设计高端调节阀的重要环节。为了实现调节阀内流场的逐级降压,减小空化现象的产生,设计了一种多级降压调节阀的外层套筒和笼式阀座。采用Fluent软件对阀内流场的流动特性进行数值模拟,得到流场压力、流量和气体体积分数的分布规律。采用循环式并联流量测试装置,对阀进行流量实验,验证了数值模拟的可靠性。通过Box-Behnken响应面优化方法探讨外层套筒和笼式阀座节流孔孔径、孔数及其交互作用对流场空化的影响,得出最优设计方案。结果表明,在不影响调节阀流量特性的条件下,70%开度时,优化阀内件参数后,最大气体体积分数从0.88下降到0.19,有效地抑制调节阀内流场空化现象。     

基于改进SVM算法的调节阀空化状态识别

空化现象往往致使调节阀产生振动、噪声以及工作效率下降等问题,严重影响煤液化系统的安全运行和元件寿命。准确识别调节阀内的空化状态可以为监测调节阀内空化状态、调节阀预测性维修提供数据支撑。针对调节阀空化状态难以有效识别的问题,构建一种基于遗传算法和核主成分分析(Kernel principle component analysis,KPCA)的支持向量机(Support vector machines,SVM)模型来对调节阀空化状态进行识别。利用时域、频域以及小波包变换提取振动信号的特征,通过KPCA提取特征向量的主成分,然后使用遗传算法优化后的SVM进行调节阀空化状态识别。试验结果表明,KPCA能够有效提取振动信号特征向量的非线性主成分,构建的SVM可有效识别调节阀空化状态。相比基于神经网络的空化状态识别而言,改进SVM具有更好的识别效果,识别准确率达98.7%。     

超空化航行体原理试验模型结构设计

设计并研制了通气超空化航行体水洞试验模型,给出了航行体空化器、航行主体、控制舵的设计原理与方案。利用该模型在西北工业大学水洞实验室实现了航行体超空化状态的形成原理与过程、航行体超空化状态下力的平衡原理、航行控制原理与实现方法等演示验证试验。实验结果表明,该模型设计原理与方案是正确的,模型的研制是成功的。     

调节阀内空化场压力累积强度特性分析

调节阀是液压系统中尤为重要的控制元件，阀内非定常空化流动是影响阀使用寿命和控制精度的主要原因之一。建立调节阀空化图像及压力信号同步采集系统，基于时频域分析，提出皮尔逊相关系数、压力累积强度变化率、压力脉冲因子来评价调节阀内空化演变过程。皮尔逊相关系数R用来确定样本周期数量，以此来确定样本计算长度。压力累积强度变化率λ来评价扩张段空化演变速率。压力脉冲因子α评价相同工况下的扩张段空化强度。实验结果表明，在不同的入口压力或不同的入口温度下，λ随着压差或者温差增大而减小，α为持续增加；对于不同的开度，λ会随着开度先下降后增加，在开度为40%时最低，而α会持续增加。     

多级套筒调节阀消声减振元件设计研究

针对高压差下调节阀内的闪蒸空化引起的强振动和高噪声问题,设计了一种消声减振套筒,并对其级数、级间隙和孔径大小进行研究。首先从理论上确定套筒的级数和级间隙,然后建立三维模型,以连续性方程、三维雷诺平均N-S方程和基于各向同性涡粘性理论的k-ε方程组成调节阀内部流动数值模拟的控制方程组,采用结构与非结构网格相结合有限体积法对控制方程组进行离散,应用Fluent对各参数套筒结构调节阀内部流动进行数值模拟计算。结果表明,理论初步确定套筒级数的可行性;适当增大级间间隙与减小孔径大小,有利于高压差调节阀的消声减振,为高压差调节阀的设计提供参考。     

基于多目标遗传算法和反向传播神经网络的调节阀流道结构优化

以往的研究中，只针对调节阀迷宫流道结构和内部流场特性进行了分析，但对迷宫流道抗空化性能和流通性能的优化设计较欠缺。为了满足阀门实际工程中的设计需求，迷宫式调节阀需要具有流道抗空化性能和流通性能。为此，提出了一种基于多目标遗传算法(MOGA)和反向传播神经网络(BPNN)的方法，对调节阀迷宫流道进行了结构优化，提高了迷宫流道的抗空化性能和流通性能。首先，基于对冲耗能原理和多级降压原理，设计了弧形对冲式迷宫流道，并建立了流体力学仿真计算的数学模型；然后，利用计算流体动力学(CFD)仿真软件，对模型进行了空化仿真，根据仿真的数据构建了BPNN代理模型，通过结合Sobol敏感度分析方法与代理模型，分析了迷宫流道各参数对仿真结果的影响，采用多目标遗传算法，优化了迷宫流道的结构；最后，搭建了实验测试平台，测量了迷宫流道的阻塞流曲线，对比分析了测试结果与仿真结果。研究结果表明：采用优化算法得到的迷宫流道最大流量由0.087 6 kg/s提高到0.117 4 kg/s,提高了34%;线性压差由762.163 kPa提高到811.280 kPa,提高了6%;优化的迷宫流道实际最大流量为0.115 9 k...     

调节阀的可调比特性分析

依调节阀的结构特点将调节阀的开度划分为有效行程区、无效行程区和超调区３处区域。有效行程区是调节阀流量调节特性所研究的区域。有效行程区与超调区的分界点称为界点。以流量调节强度和流量调节精度为基础,分析了界点的特性。在安装状态下,调节阀界点下移,可调比也随之而变,应用传统的安装状态的可调比计算式将得出不正确结果。     

调压阀流体空化特性仿真及影响因素分析

针对船用二级调压阀空化问题,建立流域瞬态仿真模型,结合Singhal空化模型和标准k-ε湍流模型对调压阀流体空化现象进行数值模拟,通过流场气体体积分数分析,得出了流体空化强度及分布形态的演变规律,通过流体速度场和压力场分析,阐明了空化演变过程调压阀流场特性,进而研究了开度、流量和背压对调压阀流体空化现象的影响规律.结果...     

不同开口度下的煤矿水液压安全阀的气蚀特性

针对煤矿水液压安全阀存在的严重气蚀问题,建立双排阀口的CFD模型,分析了不同启动次序和开口度的阀腔气相体积分数和压力分布云图,并得到其影响规律及最佳的阀口开启次序。研究表明:3种开启方式下,开口度为0.8~1.2 mm时气蚀均较为严重;同步开启时,综合抗气蚀效果最差,开口度为0.8~1.2 mm时极易形成涡旋,且对气蚀现象有扩大作用;阀口1,2依次开启时,阀腔内部的气穴气蚀现象也较明显,最大气相体积分数值达98.3%,气穴范围也较大;阀口2,1依次开启时,其阀口1附近尾椎部分高压区域可以补偿压降,从而降低阀芯内部流场最大气相体积分数,且在阀口2开口度为0.8~1.2 mm时,相对其他2种开启方式,最大气相体积分数和面积分别降低了25.7%,18.6%,抗气蚀效果最佳。     

节流槽形式对滑阀空化流场的影响

为了提高采煤工作面液压支架推移拉架准确度,降低空化现象对控制滑阀性能的影响,采用Pumplinx建立了不同节流槽形式下滑阀内部流体域动态模型。仿真分析了不同节流槽形式滑阀在不同开度时,压力场和空化分布以及气体体积分数的变化趋势。结果表明:不同节流槽形式对滑阀内部的压力分布和空化分布具有不同的影响;气体体积分数随着阀口开度的增大,呈现先稳定波动然后陡增最后在阀口完全开放后迅速降低的现象;交错分布形节流槽空化剧烈起始位置为4.5 mm,最大气体体积分数约为0.12,相较于其他槽形明显降低。     

2D伺服阀矩形和弓形先导级气穴特性及影响因素

二维(2D)伺服阀因其阀芯集旋转和平移运动于一体,且具有先导控制和功率放大的特性,被广泛应用于航空、军工等领域的液压系统中。由于伺服阀先导级的节流口面积非常小,流体流经此处后会因压力骤降而产生气穴现象,将直接影响伺服阀的工作特性。利用Fluent软件,在不同的阀口开度、敏感腔体积、入口压力下,对矩形和弓形2D伺服阀的先导级阀口和流道进行了两相流仿真。结果表明:矩形和弓形先导级阀口均存在一个最佳开度,对气穴现象的抑制能力最强;矩形先导级结构内的气穴现象,受敏感腔体积变化的影响较明显;入口压力越大,敏感腔体积越大,气穴现象越显著,先导级内气体含量越多。     

后锥角对串联空化腔室的空化特性的数值研究

针对串联式空化腔室的空化强度和效率存在的问题,展开了对其影响较大的后锥角β值的数值研究,为今后的空化腔室设计提供理论依据。采用Mixture多相流模型,以及k-?两方程湍流模型,在Fluent软件中仿真模拟后锥角β值连续变化的多种串联空化腔室流体域模型,抽取分析计算结果中的压力,速度及空泡体积分数的云图,进而研究后锥形角β值对空化流场的影响。研究结果表明:在后锥形角β值取15?附近能够获得强度相对较高的空化现象;产生空泡体积的大小、负压力的区域大小以及沿中轴线维持恒定速度的能力三者成正相关关系;后锥角β值直接影响着空化流场的分布情况,决定着最终喷射到工件表面的作用范围。     

Influence of the flow area around the ball valve on the flow characteristics of the injector control valve

The increase in common rail pressure can lead to increased cavitation inside the injector, resulting in degradation of injector performance and reduced life. The paper investigates the effect of the pressure block structure parameters (initial flow area around the ball valve) on the velocity field, pressure field, fuel gas phase volume fraction and drain rate of the control valve. The relationship between the initial flow area around the ball valve on the cavitation strength and unloading rate inside the valve was revealed. The results show that both the reduction of the flow area around the ball valve and the increase of the cavitation intensity inhibit the rate of oil discharge from the control valve. The reduction of the fuel flow area inhibits the expansion of the low-pressure region (0–1 MPa) within the flow layer, thus limiting the development of cavitation. The reduction of the cavitation area increases the fuel flow rate, however, the increase in flow rate increases the cavitation phenomenon, and these changes form a cycle (Reviewer 5. comment 2). The increase in cavitation inhibits the control valve pressure relief rate more significantly than the decrease in the initial flow area around the ball valve. Based on this, a stepped-pressure block model is proposed. The stepped pressure block model can effectively reduce the cavitation strength near the seal and enhance the oil discharge rate of the control valve. The study can provide a reference for the engineering optimization design of high-pressure common rail injector control valves.     

滑阀V形阀口漩涡空化数值仿真分析

使用大涡模拟法(LES)模型、Mixture多相流模型及Schnerr-Sauer空化模型对滑阀V形阀口空化流场进行了数值仿真模拟。分析了V形滑阀在不同出口压力下的速度云图、压力云图和空穴形状,讨论了其中空化产生机制。结果表明:V形滑阀中空化主要分布在阀口上半部分和阀口后的阀腔中,阀口中的空化由流体漩涡运动的低压引起,阀腔中的空化由流体漩涡运动造成的压力脉动引起;无空化时阀腔中各处压力脉动主频一致,主频随入口压力降低而增大,空化出现后会破坏压力脉动的周期性。     

Experiment and simulation study on cavitation flow in pressure relief valve at different hydraulic oil temperatures

Hydraulic oil is the “blood” of hydraulic system, its high temperature in low-pressure hydraulic system would promote the development of cavitation and cause severe erosion of pressure relief valve. The influence of high oil temperature on the distribution of pressure field, velocity field and vapor volume fraction are discussed experimentally and numerically. The results show that with the increasing oil temperature, the viscosity of the oil decreases, and the flow rate increases, resulting the decreasing pressure at the orifice. Higher oil temperature promotes the occurrence of cavitation in the pressure relief valve, wider low-pressure zone could be found and cavitation bubble developed more fully and towards the valve core head. When the oil temperature increases from 303 K to 353 K, the cavitation intensity rises more sharply, but the growth rate of cavitation intensity increases firstly and then decreases with the increasing input pressure. Furthermore, based on the field synergy theory, the flow resistance and energy dissipation under different oil temperatures are evaluated. Both of large viscous dissipation and effective viscosity coefficient are mainly concentrated at the orifice, which are all effected by the oil temperature, so as to the characteristics of cavitation flow. The average field synergy cosine angle and the average viscosity coefficient decreases gradually with the increasing oil temperature, while the average vapor volume fraction increases. The energy dissipation is reduced by 3.3 × 10⁷ (W m⁻³) while the hydraulic oil temperature increases from 303 K to 353 K. Appropriate hydraulic oil temperature could provide favourable working conditions for the pressure relief valve which is beneficial for extending the hydraulic system's service life.     

小开度节流阀流场特征及空化流动的数值分析

基于两相空化流动的控制方程和湍流模型,对节流阀在小开度下的流场特征及空化流动进行数值分析。结果表明:流体在流经节流口时,流速急剧增加,压力迅速降低至液体的饱和蒸汽压以下,形成空化。当节流阀出入口压差增大时,出口边界流速明显提高,出口两侧的流速差异更加明显,且在低速流一侧形成涡流。并且,出入口压力差的增加、阀门开度的减小会导致空化区域扩大,强度增加。研究成果可为节流阀的后续优化设计和操作提供理论依据。     

伺服阀前置级流场气穴现象的仿真及试验研究

针对液压阀中的气穴现象会引起液压阀的噪音、性能恶化,甚至导致液压阀失效等问题,对伺服阀前置级喷嘴和挡板之间流场中的气穴现象进行了研究.利用Pro/E软件对流场进行了三维建模,用前处理软件Gambit对三维模型进行了网格划分及边界条件设置,利用标准k-ε模型和混合气穴模型建立流场的数学模型,运用FLUENT软件对不同喷嘴入口流速下流场的分布特性及气穴特征进行了仿真分析;同时利用高速摄像机对喷嘴挡板之间的流场分布进行了观测和记录.研究结果表明,在低雷诺数流动条件下,气穴开始在喷嘴外壁和挡板前端的边缘形成;随着雷诺数的增大,在挡板弯曲的附体气穴逐渐长大并随着射流流速的增加出现云状的气穴.将不同流动条件下流场结构和气穴分布的数值计算结果与试验观测结果进行比较,两者基本吻合,说明伺服阀前置级流场气穴仿真模型和数值计算方法是可靠的.