PDF《南京林业大学 本科毕业设计（论文）》

南京林业大学 本科毕业设计(论文) 题目: 安全阀的内部流场分析 学院: 机械电子工程学院 专业: 过程装备与控制工程 学号:

080305304 学生姓名: 葛洪超 指导教师: 单玉霞 职称: 讲师 二OOOO一二 年五月十六日 安全阀的内部流场分析 摘要 安全阀是一种安全保护用阀,主要用于锅炉、压力容器和管道上,控制压力不超 过规定值,对人身安全和设备运行起重要保护作用.

本文根据国家相关标准分析安全 阀的结构特点,并运用 SolidWorks 三维设计软件,实现了弹簧式安全阀的三维建模、虚 拟装配;

针对安全阀的常闭状态,运用 Gambit 进行网格划分,并运用 FLUENT 软件进行二 维内部流场分析.得到了流道的压力、速度分布云图以及出口处速度分布线图.根据现有 安全阀的内部结构,对三种不同流道结构的安全阀,进行了内部流场分析,发现安全阀的 内部结构形状对内部流场分布有很大影响.得出了结论:圆弧形的内部流道产生最少的涡 流,流量达到最大,对安全阀的性能最好.通过对比不同的安全阀内部流道圆弧半径大小, 发现圆弧半径越大,安全阀的工作性能越好. 关键词:安全阀;

SolidWorks;

FLUENT;

流场分析 Abstract The relief valve is a kind of safety protection with valve, mainly used in boiler, pressure vessel and pipelines, control pressure is not more than rating, the personal safety and equipment operation play an important protection. According to the analysis of the relevant national standards of the relief valve structure characteristics, and use of SolidWorks 3d design software, realize the relief valve spring type of

3 d modeling, virtual assembly;

According to the relief valve closed state, using Gambit for grid partition, and use of FLUENT software two-dimensional internal flow field analysis. Get the port of pressure, velocity distribution and velocity distribution chart the exit cloud. According to the existing relief valve, the internal structure of in three different flow structure of the relief valve, the internal flow field analysis, found the relief valve in the internal structure of shape on the flow field distribution has very big effect. Draw the conclusion: the internal flow produce circular arc form the least eddy current, maximum flow, the relief valve performance is the best. Through comparing the different relief valve internal port arc radius size, found that the greater the arc radius, the better the performance of the work of the relief valve. Keywords: Relief valve;

SolidWorks;

FLUENT;

The flow field analysis 目录

1 绪论.1 1.1 研究目的及意义.1 1.2 国内外同类研究概况.1 1.3 研究的主要内容.2

2 阀门和安全阀.4 2.1 阀门.4 2.2 安全阀.6 2.3 安全阀的工作原理.7

3 SOLIDWORKS 以及安全阀建模.8 3.1 SOLIDWORKS.8 3.2 安全阀建模.9

4 FLUENT 以及安全阀内部流场计算分析.14 4.1 FLUENT.14 4.2 安全阀内部流场分析.15 4.3 改变安全阀内部几何结构,重新进行计算分析.18 结论.24 致谢.25 参考文献.27 附录.28

1 1 绪论

1 1

1 1.1 研究目的及意义 安全阀是一种安全保护用阀,它的启闭件受外力作用下处于常闭状态,当设备或 管道内的介质压力升高,超过规定值时自动开启,通过向系统外排放介质来防止管道 或设备内介质压力超过规定数值.安全阀属于自动阀类,主要用于锅炉、压力容器和 管道上,控制压力不超过规定值,对人身安全和设备运行起重要保护作用.安全阀是 锅炉压力容器、压力管道系统中使用最为广泛的一种安全装置,用以防止压力超过允 许的极限值,确保系统的安全运行. 它广泛用于工业生产的各行各业,对于装备系统的 安全、可靠运行起着十分重大的作用.随着研究工作的深入,人们越来越认识到,实验 研究存在着固有的不足,必须同时采用数值模拟的研究方法,以减少试验次数和深入 地探究流动机理. 面对众多的阀门品种和石化行业各种复杂的工况, 要选择管道系统 最适合安装的阀门, 就必须研究清楚阀门的特性, 进而在遵循阀门选用原则的基础 上掌握其选用的步骤和依据, 最终选择最适用的品种安装投用, 保证安全可靠运 行. 1.2 国内外同类研究概况 国内在安全阀方面的研究始于

20 世纪

80 年代初, 研究内容主要集中在安全阀的动 作特性上,也取得了一定的成果.比如, 通过升力试验和建立计算模型的方法, 研究流道 结构、弹簧刚度等对安全阀性能的影响 .运用非线形系统稳定性的分析方法对安全阀和 容器系统进行了分析,研究安全阀的运动稳定条件 .但总体上来说,在这方面的研究深度 还不够, 尤其在安全阀内部流动方面, 涉及甚少. 国外对安全阀的新一轮研究开始于

20 世纪

70 年代末.20 世纪

80 年代, 研究工作 主要采用试验途径, 使用了流场显形等新的试验技术, 在安全阀流量特性、流场结构上取 得了许多突破性的成果, 对安全阀的内部流动也有了较深刻的认识.

20 世纪

90 年代以后, CFD 技术的迅猛发展为建立安全阀流动的 N-S 方程组, 进行全流场数值计算提供了较好的 技术基础, 使得安全阀数学模型日趋完善, 并已开始应用到工程实践中. 张秋菊和廉自生所做的高水基安全阀流场的 CFD 仿真研究,利用 FLUENT 软件对高水 基安全阀的流场进行数值模拟, 得到了阀道的压力分布、速度分布和速度矢量分布图, 压2力和速度在截流口处都产生了突变, 并对阀芯上的总压力和液动力进行计算, 得出该阀 所受稳态液动力的大小 [1] . 李新淼、张建卓、毛君、张勇等人做的基于 FLUENT 的大流量安全阀流场数值模拟研 究, 针对目前国内液压支架用安全阀存在不足, 研制了一种新型液压支架用大流量安全阀. 运用 FLUENT 数值仿真软件成功地模拟出安全阀内部三维流场,通过数值模拟结果来看, 数值模拟方法能真实反映安全阀内部的复杂流动[2] . 王慧、席亚兵、王超、谢鑫做的基于 FLUENT 的液压支架双极保护安全阀的仿真研究, 以传统安全阀的设计方法为基础,设计了一种新型的液压支架双极保护安全阀,介绍了它 的组成结构和工作原理.利用 FLUENT 软件并且结合 C++对这种新型的安全阀进行流场模 拟,得到了阀道的压力分布、速度分布和速度矢量分布图.最终证实了压力和速度在截流 口处都很容易产生生气穴、气蚀现象[3] . 叶献华、王传礼所做的纯水三用阀阀口流场仿真分析,通过 gambit 建立三用阀阀口 三维模型并生成网格, 利用 Fluent 软件对阀内流场进行模拟计算.得出阀内的压力分布 图和速度矢量图.根据图形预测阀内气蚀发生区域, 并优化三用阀阀口, 在倒角基础上增 倒圆角, 可以降低负压, 减少气蚀发生的可能性[4] . 陈殿京、刘殿坤、董海波、王学彬等人做的应用计算流体力学软件 Fluent 建立了安 全阀三维可压缩流场计算模型,采用标准κ2ε和Realizableκ2ε两种湍流模型,并将两 个模型的计算结果与验证实验的测试数据进行对比,确定了更合适的模型.并对安全阀的 流场形态和工作特性进行了分析[5] . Gino Boccardia, Roberto Bubbicob,Gian Piero Celataa,Fausto Di Tostoc 等人 通过两个孔直径相同(10 毫米),但不同的流量系数和进口的几何形状的 PSVs,进行了气 液两相流蒸汽-水实验研究的结果.实验结果利用预测计算方法进行了对比得到均匀模型 基于非平衡假说,API Recommended Practice

520 提出另一种方法,发展与平衡假说. 结 果表明:PSV 的几何尺寸和排泄条件是相当重要的因素为选择更合适的模型的 PVS 上浆[6] . 1.3 本文研究的主要内容 根据国家相关标准分析安全阀的结构特点,并运用 SolidWorks 三维设计软件,实现 该安全阀的三维建模、虚拟装配;

运用 gambit 软件进行网格划分并运用 FLUENT 软件进行 流体内部流场分析. 本课题研究的主要内容分为以下三个方面:

3 ①运用 SolidWorks 三维设计软件进行零件建模,然后装配成安全阀实体. ②运用 gambit 软件进行网格划分,用FLUENT 软件对内部流道进行二维计算分析,得出 流场分布图. ③改变安全阀内部几何结构再分析计算,得出不同的流场分布图.对比不同内部几何结 构对流场分布的影响.

4 2 阀门和安全阀 2.1 阀门 阀门是石油、化工、电站、长输电线、造纸、核工业、各种低温工程、宇航以及 海洋采油等流体输送系统中的控制部件,具有导航、截止、调节、节流、防止分流、 分流、或溢流卸压等功能. 用于流体控制的阀门,从最简单的截止阀到复杂的自控系统,所用的各种阀门, 其品种和规格繁多.阀门的公称通径,从微小的仪表阀,到公称通径达 10m、重几十 吨的工业管路用阀.阀门可用于控制水、蒸汽、油、气体、泥浆、各种腐蚀性化学介 质、 液态金属和放射性流体等各种类型流体地流动. 阀门的工作压力可从 0.0013MPa 到1000MPa.工作温度从-269℃的超低温到 1430℃的高温.阀门的式传感信号的作用 下, 按预定的要求动作,或者不依赖传感信号只进行简单的控制可采用多种传动方 式, 如手动、电动、液动、气动、电-气或电-液联动、涡轮、电磁动、电磁液动、 气液动、正齿轮、伞齿轮驱动等;

也可以在压力、温度或其它形开启或关闭.阀门依 靠驱动或自动机构使其启闭件作升降、滑移、旋摆或回转运动, 从而改变其流道面 积的大小,实现其控制功能. 1. 按自动和驱动分类 (1)自动阀门:依靠依靠介质(液体、空气、蒸汽)自身的能量而自行动作的阀门. 如安全阀、减压阀、疏水阀、止回阀、蒸汽输水阀、空气疏水阀、紧急切断阀等. (2)驱动阀门:可以利用各种动力源进行操作驱动的阀门.分为电动阀、气动阀、 液动阀等. (3) 手动阀:借助手轮、手柄、杠杆、链轮,由人力来操纵的阀门. 2. 按作用和用途分类 (1)截断阀类:如闸阀、截止阀、旋塞阀、球阀、蝶阀、针型阀、隔膜阀等. (2) 止回阀类:如水泵吸水管的底阀. (3) 安全阀类:如安全阀、防爆阀、事故阀等. (4) 调节阀类:如调节阀、节流阀和减压阀. (5) 分流阀类:如分配阀、三通阀、疏水阀. (6)特殊用途阀类:如清管阀、放空阀、排污阀、排气阀、过滤器等. 3. 按公称通径分类

5 (1)小口径阀门:公称通径 DN≤40mm 的阀门. (2)中口径阀........