基于流固耦合的安全閥動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性研究.pdf

1、安全閥作為壓力系統(tǒng)超壓保護(hù)的最后一道安全屏障，其壽命和可靠性常常受到顫振和頻跳等動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性的威脅。國(guó)內(nèi)外針對(duì)這種動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定的研究長(zhǎng)期受困于實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)建模和仿真三類研究方法各自的桎梏，對(duì)其成因的解釋缺乏說服力，解決方法普適性不足。
　　對(duì)此，本文針對(duì)安全閥系統(tǒng)時(shí)間多尺度和空間多尺度的建模難點(diǎn)，提出對(duì)壓力容器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、對(duì)管道和安全閥進(jìn)行二維CFD建模，通過基于流固耦合(FSI)的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的用戶自定義函數(shù)(UDF)相耦合的解決

2、思路，建立了完整的安全閥系統(tǒng)模型。同時(shí)為了解決CFD模擬中二維模型失真和瞬態(tài)模擬動(dòng)網(wǎng)格易損壞的難題，使用了等效出口面積法和Fluent Dynamic Layering技術(shù)。
　　基于完整的安全閥系統(tǒng)模型，本文對(duì)系統(tǒng)三大組成部分，即壓力容器、連接管道、安全閥本體，可能影響安全閥動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性的參數(shù)進(jìn)行探索，具體包括:容器升壓速率和容積、連接管道長(zhǎng)度、安全閥調(diào)節(jié)圈高度、閥桿摩擦力。其中，通過采用超短時(shí)間步捕捉到的管道壓力波傳播結(jié)果解釋

3、了安全閥顫振和頻跳的主要原因，評(píng)估了兩種不穩(wěn)定性決定理論的準(zhǔn)確性。研究發(fā)現(xiàn):
　　1)壓力容器在其容器容積較大或升壓速率較小時(shí)，既不影響安全閥動(dòng)態(tài)特性，也不影響其特征壓力。當(dāng)容積過小或升壓速率過高時(shí)，系統(tǒng)來不及吸收振動(dòng)能量便受到新擾動(dòng)的激勵(lì)，會(huì)小幅增加安全閥的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性;
　　2)調(diào)節(jié)圈高度會(huì)決定安全閥簾面積的位置，通過拉瓦爾噴管效應(yīng)可合理解釋簾面積附近的流場(chǎng)壓力分布，進(jìn)而判斷閥盤升力大小?？偟挠绊戁厔?shì)是，安全閥調(diào)節(jié)圈越高

4、，閥盤升力越大，這會(huì)導(dǎo)致安全閥啟閉壓差變大，但能略微減小安全閥的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性;
　　3)閥桿摩擦力在降低安全閥動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性上效果顯著，但降低其靈敏性。并且由于其自身具有不確定性，會(huì)增加安全閥性能的不確定性。因此將閥桿摩擦力控制在合適范圍可獲得較好的安全閥性能;
　　4)管路壓損在閥盤開度較大時(shí)會(huì)降低噴嘴處的介質(zhì)總壓，增大頻跳和顫振的傾向，但頻跳的閾值比3％整定壓力大得多，因此現(xiàn)有的壓力損失理論并不準(zhǔn)確;
　　5)壓力波