气动调节阀粘滞故障检测与参数辨识方法研究

为了研究气动调节阀的粘滞特性问题,以CHEN粘滞模型作为阀门粘滞特性问题的基础模型,提出一种阀门粘滞故障的检测与改进的参数辨识方法。通过搭建粘滞故障试验台,模拟实际情况中发生不同程度粘滞时的阀杆运动状态,揭示阀门粘滞发生的机理。使用随机森林算法对振荡源进行分类,实现对粘滞故障的检测。使用基于Hammerstein模型的粒子群优化算法求解粘滞参数最优解,提出粘滞双参数取值范围的确定方法,实现欠补偿、无补偿和过补偿3种状态下的粘滞参数辨识。结果表明:阀门粘滞程度与阀杆所受动静摩擦力有关;在不考虑外界因素的影响下,提出的粘滞检测方法对4种振荡源的分类准确率达到99.0268%;提出的改进的粘滞参数辨识方法对不同大小粘滞参数的辨识结果误差达到7%以内。研究成果为阀门粘滞故障的检测和参数辨识提供了理论方法,对粘滞模型的改进具有实际参考价值。

核电主蒸汽阀站中电磁先导阀的动态响应仿真研究

针对核电主蒸汽阀站中关键部件之一——大气释放阀前置隔离阀在实际工况中常出现响应超时的问题,采用数值仿真软件Fluent中的动网格以及用户自定义函数技术,对控制其启闭过程的电磁先导阀动态响应过程进行了研究。首先,研究了电磁先导阀中先导结构的动态响应过程以及阀杆的受力情况;然后,研究了电磁先导阀中主阀的动态响应过程以及主阀泄压时阀内的压力和速度分布情况;最后,综合两个动态过程,分析了电磁先导阀整阀的运动时间。研究结果表明,电磁先导阀的运动时间为8.5 ms,其中先导结构的运动时间占比较小,85%的时间集中在电磁先导阀主阀动作过程。该研究结果可对前置隔离阀响应时间的优化提供参考。

阀芯间隙固液两相流动特性及卡滞机理

外部污染颗粒或阀内元件自身腐蚀的磨损颗粒混入流体中,随着流体进入阀芯配合间隙从而导致阀芯所受阻力增大,容易出现阀芯卡滞现象。以典型的液压滑阀为例,基于欧拉-欧拉固液两相流模型,分析阀芯、阀体配合间隙内污染颗粒固液两相流动特性及阀芯卡滞规律。分析了阀内含污染颗粒的油液流动特性:在跨尺度流域中压力和速度产生剧烈变化;随着颗粒直径的增大,间隙内颗粒体积分数逐渐增大,存在集聚现象。分析了颗粒特征参数(颗粒浓度、颗粒直径)对间隙内颗粒分布及阀芯卡滞力的影响规律:均压槽内的颗粒体积分数最高,且随着颗粒直径的增大峰值也增大;随着颗粒直径的增加,阀芯卡滞力呈现先增大后减小的趋势;当颗粒直径为12μm时,阀芯卡滞力最大,为敏感颗粒直径。

节流槽形状对液压滑阀卡滞力的影响

液压滑阀是液压系统中的关键控制部件之一,其结构简单可靠,易于实现流量、压力控制。但是运行过程中由于热负荷产生的微小变形会导致阀芯卡滞现象的出现。当阀芯发生卡滞现象时,可能会严重降低液压阀的精度和灵敏度。基于热-流-固耦合模型,分析了节流槽形状对液压滑阀卡滞力的影响。首先建立了阀内固定开度流道模型,计算获得了不同节流槽形状下阀内流动特性;其次,将流体分析得到的温度场信息作为边界条件加载到热分析中,得到阀芯上的温度分布特性;最后研究了不同节流槽形状下阀芯间隙的变形量,分析阀芯卡滞的变化,为减小阀芯卡滞措施的研究提供参考。

液-液两相流体黏度对微通道内流型的影响

为了研究流体黏度对液-液两相流流型的影响,采用实验和数值模拟相结合的方法,研究十字型微通道内液-液两相流流型变化。结果表明,当两相流体系中存在高黏度流体时,会加剧两相界面的不稳定性,两相流流型极易向不规则流和环状流转换,且当连续相流体黏度较高时,液滴的形状更易为子弹流。通过引入毛细数和韦伯数,提出两相流流型转换关系。当连续相流体和分散相流体分别由水平通道和垂直通道流入时,通过合理调节两相流体流速,可在微通道下游实现大小液滴的融合。这一方式将为高黏度流体流动操控提供新思路,通过控制两相流速,可以实现不依赖于复杂微通道结构的液滴被动融合。

套筒式蒸汽疏水阀多工况下的空化及噪声分析

针对蒸汽疏水阀内普遍存在的空化及噪声问题,设计了一种套筒式疏水阀.基于RANS方程、Mixture多相流模型及空化模型,对阀门内部的空化流动进行了数值模拟研究.基于时均湍流流场信息与宽频噪声模型计算噪声源声功率分布特征,对比分析了阀门在空化和无空化工况时的噪声声功率.结果表明:疏水阀内空化主要发生于套筒节流孔处;阀内的空化强度随入口流速的增加而增强;空化发生的临界流速为2.5 m/s,当入口流速低于2.5 m/s时,阀内基本不发生空化;阀内的主要噪声源分布于套筒节流孔内的高流速空化区和阀腔环向壁面及阀腔底面的涡旋区内;套筒处的空化强度是决定套筒处最大声功率的主要因素,通过抑制套筒处的空化程度可有效降低套筒处声源最大声功率.

笼式调节阀的冲蚀磨损与空蚀

基于均质平衡流模型、空化模型和离散相模型,对煤直接液化工程中的笼式调节阀内气液固多相流动进行了仿真分析与预测,分析了阀内冲蚀磨损和空化空蚀的基本分布特征,并结合阀笼实际失效情况,验证分析结果并确定了阀笼失效的主要原因。结果表明:阀内空化发生的主要区域均位于阀笼的内层节流孔内。阀门入口压力不变时,随着阀门开度的增加,蒸汽相体积随之增加,流体流经的节流孔数增加,空化发生范围也随之增加,空蚀强度也随之增强;阀笼导流槽内壁受颗粒直接冲击中心及周围区域存在明显变形和穿透性缺陷,多个开度下冲蚀磨损速率最高的区域均位于导流槽内壁远离调节阀的进口侧;阀笼内壁内层节流孔出口周围的坑状缺陷主要是由于空化气泡破灭冲击壁面产生。

核电厂合流型硼酸三通调节阀的流量特性研究

针对核电厂合流型硼酸三通调节阀出现的流量分配调节能力差、响应时间长、部分阀位调节性能失效等问题,分析了三通阀在不同阀位及不同工况下的流动特性,建立了数值仿真模型,绘制流量特性曲线和流量分配曲线,并通过流量试验数据进行验证。研究发现:阀中腔易产生低速涡旋,降低阀流通能力,该现象在中间开度影响更为明显;出口总流量较大时,阀芯受不平衡力矩,影响阀开启和关闭性能;出口总流量较小时,30%~80%之间的阀位调节性能较弱;三通阀两入口管路内压力不等导致一部分阀位失去调节功能,且在两入口管路内压力差一定的条件下,三通总流量越小,阀位失效范围越大。研究结果可为给该类阀门结构优化设计提供理论指导和依据。

稳压器喷淋阀碟簧受力分析及其结构优化

为解决稳压器喷淋阀在运行过程中出现的密封环磨损及碟簧断裂问题,以某核电站稳压器喷淋阀为例,对密封失效情况下碟簧的受力情况进行了仿真分析、实验研究及优化改进。首先,利用数值模拟方法搭建了去除密封环的喷淋阀流道模型,分析了不同压差下喷淋阀流场变化以及碟簧受力情况;然后,采用二维模拟得到了碟簧被挤压的临界压差,并利用相关实验对模拟数据进行了验证;最后,针对碟簧两侧压差过大问题进行了结构优化,并采用数值计算进行了验证。研究结果表明:在密封失效的情况下,碟簧两侧压差接近进出口压差,当碟簧两侧压差超过0.24 MPa时,碟簧会被挤压并脱离阀体;正常工况下,碟簧也会出现因两侧压差较大而脱离阀体的现象,说明这是导致碟簧往复运动失效的原因之一,而采用波形弹簧代替碟簧可有效解决这一问题。该研究结果对稳压器喷淋阀结构设计具有一定的指导意义。

烤箱内胆流动特性与加热效率研究

为解决传统热风循环式烤箱受介质物性和烤箱结构限制而产生的温度不均匀问题,课题组提出了一种将过热蒸气(过热蒸气因焓值高而有助于蛋白质改性)作为传热介质的新型烤箱及3种优化方案。根据优化前新型烤箱的温度和速度分布,提出了在底部加设加热盘和在背部加设加热圈2种结构优化方案,以及增加蒸气进口速度的工艺优化方案;对优化前后的模型进行仿真,并实验验证其准确性。结果表明:底部增设加热盘后,样本点温度方差和平均温度分别改善了22.4%和2.9%;背部加设加热圈后,平均温度提升了3.5%,但温度均匀性下降;增加进口流速后,温度均匀性提升了46.4%,但平均温度降低。该新型烤箱为传统热风循环式烤箱的优化提供了一个新方向和思路。

垂直管线型先导式截止阀的阀芯运动过程数值分析

提出了一种新型的可适用于垂直管线的先导式截止阀,其驱动能耗较低;通过分析阀芯的受力情况,建立了阀芯运动的控制方程;运用Fluent软件及用户自定义函数功能UDF对该阀在不同弹簧刚度下的运动过程中的冲击速度、阀芯稳定位移和瞬态位移进行了数值分析.结果表明:阀芯运动在不同的弹簧刚度下具有不同的开启方式,选取较小的弹簧刚度有助于阀门的快速响应,也能够保证阀门开启后的正常工作,但容易造成开启时候阀芯对阀芯顶盖的冲击碰撞;而随弹簧刚度增大,阀芯的稳定位移逐渐减小,如在转换点之后继续增大弹簧刚度将使得阀芯无法达到最大位移.此外,通过对0.9倍和1.1倍弹簧刚度理论计算值下的阀门开启过程进行瞬态模拟,发现数值模拟与理论计算可以相互印证,同时建议在实际弹簧刚度选取时,选取0.9倍的理论计算值作为实际设计点.研究可为该类先导式截止阀或类似结构截止阀的研究推广与应用提供一定的借鉴意义.

调节阀振动特征的研究进展

为全面认识调节阀振动问题,以近年国内工程领域调节阀振动事故案例为引,从外激振动和流激振动两个方面分析了调节阀振动产生机理,从实验方法、理论模型仿真和数值模拟三个角度总结了调节阀振动研究方法,从根源减振与传播减振两种类型回顾了调节阀振动抑制措施。经过分析总结,探讨了目前研究存在的主要问题,并给出了展望:流激振动机理研究还不够完善,不同类型的流激振动无法区分,应建立特征识别技术,并开展竞争机制研究;实验方法与理论模型仿真各有局限,有待提高。不同数值模拟方法的准确性与资源消耗比较有待探索;应建立调节阀品位评价体系,对高品位调节阀开发根源减振措施,对低品位调节阀选用传播减振措施。

微通道内液-液两相流流型及传质的研究进展

微通道内液-液两相流流动在微化工系统中占有重要的地位,了解微通道内液-液两相流体流动和传质规律对推动其工业化应用有重要作用。本文以微通道内液-液两相流系统为研究对象,简述了不同工况下微通道内液-液两相流流型和混合传质效率,分析了微通道特征、流体性质和流体流动速度等对流型形成和传质效率的影响。指出目前对于微通道内液-液两相流的研究多处于定性研究,定量研究仅针对某一体系展开,所得结果具有一定的局限性。关于微通道内液-液两相流传质研究实验较多而数值模拟方法相对较少,接下来的研究工作中应该考虑建立微通道内液-液两相流基础研究的数据库,通过分析大量的数据获得有效的流型划分准则和相关经验式以此推动微通道内液-液两相流的工业化应用。同时在传质研究过程中应研究开发相应的数值模拟模型,保证实验和数值模拟相结合,提出有效的传质效率评价机制。

减压阀阀芯与孔板间距对节流性能的影响分析

使用高温高压蒸汽推动汽轮机可以实现能量的转化,而针对蒸汽的调控直接影响到能量的转化效率和系统的安全性。减压阀作为蒸汽辅助动力系统的核心部件,主要对高温高压蒸汽进行调控,使其压力和温度等参数被调节到特定范围。节流特性是减压阀的主要性能指标,以一种新型多级角式减压阀为研究对象,采用计算流体力学方法,考察了笼罩式阀芯和节流孔板的间距对节流特性的影响,具体分析了不同间距下流动特性、湍流耗散率、温度特性和压比特性等节流性能。研究结果为后续开展类似减压阀的节流优化设计提供参考。

特斯拉阀型微通道热沉换热强化的数值研究

由于受到空间的限制,微电子领域的散热设备必须满足体积小、效率高等特点。微通道热沉因其优良的特性,能够满足微电子设备的散热要求,目前已得到广泛运用。随着微电子技术的发展,电子设备的集成度越来越高,为了设备能够高效平稳运行,对散热提出了更高的要求。由于特斯拉型通道包含了分叉结构,当冷却流体流经时分叉结构可以增强对流体的扰动,达到增强换热的目的。本文采用数值模拟的方法,对特斯拉阀型微通道热沉的强化换热进行研究。改变特斯拉阀型通道级数、特斯拉阀弧形通道外侧半径以及特斯拉阀的设置方向,得到不同几何参数下特斯拉阀型微通道热沉底面的温度分布、平均温度和冷却流体的进出口压降,从而研究其换热特性和流动特性。当特斯拉阀级数为12,特斯拉阀弧形通道外侧半径为750μm时,微通道热沉的散热效果最好。当冷却流体流量小于5 mL/min时,特斯拉阀正向设置的散热性能及流动性能均优于逆向设置;当冷却流体流量大于5 mL/min时,特斯拉阀逆向设置的散热效果优于正向设置,但需要以更大的流体压降为代价。

阀门流固耦合的研究进展

流固耦合现象是指流体与固体相互作用的现象,其具体表现为流体作用于固体,使之变形或位移,同时固体反作用于流体,引起流场的变化。在阀门中,当流固耦合现象达到一定程度时,会对阀门及与阀门相连的多种部件产生损伤,并最终导致阀门工作效率下降乃至失效。为更全面地认识阀门中的流固耦合现象,本文从流固耦合理论、试验方法和数值模拟3方面对国内外阀门流固的研究进行了整理归纳。首先,介绍了阀门产生流固耦合现象的机制;其次,阐释了单场分析与流固耦合分析各自的特点,指出了流固耦合分析的优越性。同时,归纳了不同试验方法及元器件在阀门流固耦合现象研究中的应用。此外,在数值模拟中,按照数据传递方向对单向流固耦合与双向流固耦合进行了介绍;并根据耦合场数,结合阀门研究的相关工作对双场耦合与多场耦合进行了介绍。最后,总结了流固耦合模拟的发展方向。

当过程装备与控制工程专业遇上通识教育——来自浙江大学的探索与思考

过程装备与控制工程专业是典型的细分专业,为我国培养了该领域大批复合型人才。但在当今多元文化碰撞、知识高速更迭的背景下,过于强调专业细分和专业技能分类的专业教育不利于人才的全面发展,因而通识教育受到越来越多的关注。文章基于通识教育与专业教育的对比分析,明确了过程装备与控制工程专业的通识属性,并介绍了浙江大学过程装备与控制工程专业的通识教育实践,从加强四课堂融通、推行微辅修项目和实施英才计划等方面提出了相关建议与思考。

先导式阀门先导结构的研究进展

为充分认识先导式阀门的优势,有效提升先导式阀门的使用性能,从先导结构的驱动部件、弹簧组件、阀芯和阻尼孔四个方面,整理了先导式阀门的最新发展;从压力控制、流量控制和方向控制三个方面介绍了先导结构控制先导式阀门所实现的不同功能;从静态特性和动态特性两个角度分析了不同先导结构对先导式阀门性能的影响。结果表明:先导式阀门的阀芯形式、阻尼孔位置对阀门性能影响较大;对于流量控制和方向控制的控制策略还需进一步创新;先导式阀门的动态、静态特性指标之间存在一些不统一的地方。未来,新型特种先导式阀门开发、先导结构参数对阀门动静态特性影响的量化分析将是重要的研究方向。

套筒结构对双层套筒式控制阀气动噪声的影响分析

多孔套筒式控制阀对于降低噪声有很好的效果,而双层多孔套筒可以进一步提升降噪性能。为研究套筒间距和套筒厚度对双层套筒式控制阀气动噪声的影响,建立了双层套筒式控制阀数值模型;对不同套筒间距及不同套筒厚度模型的模拟结果进行比较。结果表明,套筒间距对于双层套筒式控制阀的气动噪声影响较大,且随着套筒间距增大,在小开度情况下降噪效果更加明显;套筒厚度对于双层套筒式控制阀的气动噪声影响较小。研究结果对套筒式控制阀内套筒结构设计有重要的参考意义。

含阻系统分析方法及其在先导式截止阀阀芯小孔设计中的应用

随着社会和时代的进步,复杂物理系统日益常见,传统的工程分析与设计方法面临着巨大挑战,因此,针对复杂物理系统的诸多参数,研究新的分析方法、提炼海量数据、指导工程分析与设计,显得尤为迫切。从系统分析方法角度,对弹簧滑块系统、直流电路系统、流场压降系统和平板传热热阻系统进行了阐述;对4种物理系统中的重要物理量进行了分析与归纳,提出了含阻系统的设想,其由阻元、过体和势头三个部分组成;在已经具有海量数据的基础上,含阻系统分析方法可通过确立物理系统中的阻元、过体和势头,建立阻元对势头的直接联系,简化物理问题,得到相对准确的结果。同时,采用含阻系统分析方法对先导式截止阀的阀芯设计进行了研究,结果表明,数值模拟和含阻系统分析方法得出的阀芯小孔处的压差和最大汽含率均在2%的误差范围内,这说明含阻系统分析方法可用于指导先导式截止阀阀芯小孔的设计。在海量数据积累的大数据时代,含阻系统分析方法可针对各种类型的复杂物理模型进行工程分析与设计,具有广阔的应用前景。