基于动网格的轴流式止回阀关闭过程动态特性分析

针对液化天然气用轴流式止回阀使用过程中可能发生的水锤问题,利用FLUENT动网格方法对两种不同型号(优化前、后)的阀门内部动态流场及阀瓣运动状态进行研究,分析优化前、后的阀门在相同工况下的动态特性。结果表明:止回阀关闭瞬间,优化后阀瓣受力相比优化前降低了70 N,优化后阀瓣运动速度相比优化前减小了0.674 m/s,这样阀瓣对阀座的冲击力相对更小,有利于保证阀座的使用寿命,同时有利于减小碰撞过程对管路系统的影响;FLUENT动网格方法能够预测止回阀关闭过程中“快关缓闭”的阀瓣运动特征,同时模拟得到的阀瓣运动状态以及止回阀内部动态流场特征,对轴流式止回阀的设计及选型具有重要的参考价值。

三偏心蝶阀热棘轮效应的数值模拟

为了探讨热棘轮效应对三偏心金属硬密封蝶阀密封副热变形及密封性能的影响,先排除了蝶阀发生塑性垮塌失效、密封结构在数次常温与高温交变循环载荷作用下发生疲劳失效的可能性,然后通过ANSYS Workbench有限元分析软件对三偏心蝶阀进行常温与高温交变循环载荷下的热棘轮效应研究,基于Chaboche非线性随动强化模型对三偏心蝶阀进行10次温度循环加载分析。结果表明:高温工况下阀座内环面与阀体外壁面的最大温差约为60℃,温度降低到常温后阀座的最大塑性应变随循环次数的增加出现渐增性塑性累积;10次温度循环后阀座的最大塑性应变为0.02116,阀座在温度循环载荷的作用下发生热棘轮效应;在第5次温度交变循环之后,阀座与密封圈的最大径向变形分别为0.2844 mm和0.2753 mm;阀座的最大径向变形大于密封圈的最大径向变形,阀座的残余变形导致密封面出现间隙,证明三偏心蝶阀出现密封失效现象是由于阀座发生热棘轮效应导致的。对阀体外壁面进行良好保温后,经有限元计算阀座未发生棘轮效应,可见对阀体进行良好保温是避免因阀座发生棘轮效应而出现密封失效的有效手段。该研究结果揭示了蝶阀在数次常温与高温交变循环载荷作用下出现密封失效的原因,并提出相应的防范措施。这对相同工况下的其他类型阀门和压力管道等设备避免发生热棘轮效应具有十分重要的指导意义。

基于改进NSGA-Ⅱ算法的安全阀动态特性分析及优化

针对安全阀动态性能缺乏高精度预测模型和优化方法的问题,提出一种考虑阻尼因素及气体扩散因素的动态响应系统模型和基于改进NSGA-Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ)算法的优化方法。通过安全阀动态响应系统模型建立仿真模型,对安全阀进行启闭过程动态特性仿真,与动态特性试验结果对比,验证动态响应系统模型的精确性;在NSGA-Ⅱ算法中引入一种权重向量设置方法和自适应变异算子,对安全阀结构参数进行多目标优化。优化后安全阀动态特性评价指标响应时间、振动幅值和稳定值与优化前相比分别缩短5.95%、减小68.29%和减小1.98%。结果表明,优化方法可提升安全阀动态性能。

计及漏磁的堆栈式超磁致伸缩制动器多物理场耦合建模研究

堆栈式超磁致伸缩制动器(SGMA)因其能量密度高、响应速度快且便于提供稳定的偏置磁场而得到广泛应用。由于永磁体和超磁致伸缩材料相对磁导率极低,磁路中存在明显的磁场空间分布不均匀的现象,磁-机耦合导致其动力学相较于传统结构的制动器更为复杂。为了准确地预测SGMA的输出特性,该文基于有限元仿真搭建了计及漏磁的等效磁路,并结合Jiles-Atherton模型、非线性本构模型及考虑分布特性的结构动力学模型,借助Pspice电路仿真软件建立了超磁致伸缩制动器多物理场耦合动态模型。相较于传统的制动器多场耦合模型,所提模型能够更精准地分析磁路中的漏磁行为,并反映由磁场不均匀引起的力学分布特性。最后搭建制动器输出位移测试平台以验证模型的准确性,模型计算结果与实验结果吻合度良好,证明了所建立模型能有效表征SGMA的输入-输出特性。

基于代理模型的轴流式调节阀阀体型线优化

针对国内外大口径天然气管线阀门型线优化周期长、优化过程机械式重复的问题,提出一种采用Kriging代理模型结合NSGA-Ⅱ算法的轴流式调节阀型线优化方法。以DN600轴流式调节阀为研究对象,通过Fluent与ANSYS软件对其性能进行初步评估后,选定流量值、最大应力水平和最大变形量为优化目标。首先采用B-spline曲线对阀体型线进行拟合,通过改变控制点的坐标实现阀体型线的参数化,并实现阀体型线的自动建模,运用拉丁超立方采样方法设计100种型线,通过数值模拟得到结构优化样本库,建立轴流式调节阀的Kriging代理模型。然后采用NSGA-Ⅱ算法对代理模型进行寻优得到Pareto前沿解集,通过对3个型线前沿解与初始型线内部水平截面的速度、压力变化曲线的研究,确定最优型线。再对优化前后的开度-阻力特性、流量-阻力特性及阀后管道内部流动进行研究,结果表明,优化后的型线流量值提高了9.2%,最大应力水平降低了8.46%,最大变形量减小了6.2%,优化后流体阻力降低,阀后管道高速流动影响距离减小。优化后型线的性能提升证明了该型线优化方法的有效性,揭示了该方法在阀门型线结构优化领域的潜力。

高压降迷宫套筒组合调节阀涡激振动仿真研究

针对高压降类调节阀涡激振动现象,设计多通道迷宫盘片和多级套筒组合高压降调节阀。基于计算流体动力学(CFD)和流固耦合模态分析法,计算调节阀内部瞬态流场及结构模态,得到其三种典型开度的流体流动情况,升力系数时域和频域特性曲线,以及模态频率和模态振型。分析结果表明:4s时刻,随调节阀开度减小,流体最大流速相应减小,第四级套筒外部流道区域的大涡逐渐形成小涡。调节阀全开时流体升力系数波动比70%和40%开度时更为剧烈,一阶模态频率、二阶模态频率均随开度的增大而增大。调节阀模态频率没有落在漩涡脱落主频率范围内,调节阀不会发生涡激振动锁定现象。

高压降套筒式蒸汽疏水阀振动特性研究

针对高压降套筒式蒸汽疏水阀节流内件无法针精确设计和选用,并产生强烈振动的问题,基于直接边界元法对不同降压级数、节流孔径的疏水阀模型进行流激振动数值模拟研究,得到疏水阀不同开度下监测点处的振动频谱曲线及总振级随阀门开度变化规律。分析结果表明:不同开度下蒸汽疏水阀流激振动频谱特性由阀内节流件结构决定,受开度变化影响很小;在额定流量和额定压差不变情况下,总振级随降压级数增加而降低,但振动频谱特性基本不变,随节流孔径减小,总振级显著降低,且振动主要成分向50~500 Hz频率范围集中,为阀内节流件设计时避免流激共振提供参考,考虑节流套筒开孔时加工特点,节流孔径应取4~5 mm;实际使用中,为降低振动应尽量使疏水阀在中间开度下工作。

致密油储层渗透率界定指标探讨

近年来,由于美国致密油产量快速增长,引起了全球范围内的广泛关注,但是对于致密油的渗透率评价指标国内外尚不统一。基于油藏产能评价、实验室岩心相对渗透率、岩心排驱压力以及岩心孔隙度—渗透率关系等多个方面分析,结合现行标准及覆压渗透率—地面渗透率关系,提出了主要以地面渗透率1m D作为致密油储层与常规储层的分界点;并分析了致密油储层与常规特低渗透储层3个方面的差异,包括孔隙空间构成、孔隙度—渗透率关系以及束缚水饱和度等;最后提出了致密油储层两种辅助表征方法即渗流速率法和孔喉半径法等供参考使用。

往复式压缩机管道振动分析与优化

振动问题严重影响着压缩机管路系统的长周期安全运行。针对往复式压缩机管道振动问题,基于ANSYS有限元分析软件对振动剧烈的管路进行流体压力脉动计算与流固耦合模态分析。结果表明,诱发管路振动的主要原因是流体压力脉动频率和管道机械固有频率均落在了压缩机激振频率共振区内,增加防震管托的解决方案可以在一定程度上减弱管道振动,经对比不同约束位置的模态分析结果,确定了最合理的约束位置。

动态流量平衡阀结构优化与验证

针对动态流量平衡阀流量控制精度较低问题,依据孔板流量和同心环状缝隙流方程,初步设计阀芯开孔型线,提出压差补偿系数因子修正法对现有的型线公式进行了优化修正,基于大涡模拟(LES)湍流模型,数值模拟研究了优化前后动态流量平衡阀的流量控制精度和流量精度误差,对比分析阀芯开孔型线对阀内压力脉动强度的影响规律,并搭建流量测试试验台对所提优化方法进行验证。结果表明,压差补偿因子修正法优化阀芯开孔型线能有效降低阀芯端面压力脉动强度,提高动态流量平衡阀流量控制精度至3.7%,流场模拟计算和实验结果趋势上基本吻合。

基于改进小波阈值函数的安全阀排放声信号降噪

在安全阀测试中,安全阀排放声信号是检验阀门是否合格的重要信息来源。鉴于安全阀排放声信号易受到周边机械系统噪声的干扰,影响测试的准确性,利用指数型函数的衰减特性,提出一种改进的自适应小波阈值降噪方法。在不同尺度上根据小波分解的噪声水平自适应的选取最佳阈值;构建一种在阈值处连续的阈值函数,引入调节因子,优化了传统阈值函数过度降噪、不连续等缺陷。采用该方法分别对仿真信号与安全阀实测信号进行降噪分析,并与传统小波阈值降噪、低通Butterworth滤波降噪进行对比。结果表明该方法降噪效果更好,验证了改进降噪方法的有效性。

多级降压疏水调节阀流致噪声数值模拟研究

特殊工况用高参数调节阀在使用过程中出现的高噪声是阀门参数化设计和优化设计必须考虑的重要问题之一。建立高压降多级降压疏水调节阀三维模型,以流致噪声理论为基础,结合RNG k-ε和声学边界元方法(BEM),研究了套筒式减压结构不同结构设计参数对噪声特性的影响规律。研究表明:套筒节流区域的流体压力脉动程度最强,是诱发噪声的主要区域;不同套筒结构参数的调节阀噪声频谱均呈现明显的宽频特性;声压级随套筒孔径的增大而增大,较小的套筒孔径对调节阀的流致噪声有更强的抑制作用;声压级随套筒间隙的增加呈先递减后递增的变化规律,在套筒间隙为8 mm时声压级达到极小值51.02 dB(A)。

快关蝶阀密封副瞬态热及碰撞冲击研究

为准确评估动态升温过程中结构是否安全,基于经典赫兹接触理论、旋转动力学以及碰撞冲击理论,采用数值仿真方法对快关蝶阀分别进行瞬态热-结构耦合分析与瞬态动力学分析研究,对比研究了不同升温速率、不同关闭时间及不同密封面宽度对快关蝶阀结构强度及阀座密封性能的影响规律。研究表明:快关蝶阀的最终热应力和阀座密封面接触压力均随着升温速率的增大而增大,当阀门内壁升温速率小于0.225℃/s时,阀门的结构强度及密封可满足要求;分析快关蝶阀瞬间冲击速度以及快关过程总位移量,并与理论推导得出的数值对比,误差均在5%以内,快关冲击对蝶阀蝶板的影响程度大于阀座,进一步研究得出了冲击速度、撞击面积关键参数对阀门冲击的影响规律。

LNG超低温球阀的螺栓预紧力分析

为研究温度对法兰结构螺栓预紧力的影响,采用ANSYS有限元软件对液化天然气超低温球阀中法兰在不同温度下的螺栓预紧力和密封状况进行分析,对比了不同线膨胀系数的螺栓材料在常温和低温下的预紧力状态。结果表明:螺栓材料选用B8M、XM-19时,预紧力随温度的降低而增大,低温工况下较常温时分别增加了24.93%、6.28%;螺栓材料选用Inconel 625时,预紧力随温度的降低而减小,低温工况下较常温时减小了26.39%;金属缠绕垫片的密封比压随温度的降低呈现出与螺栓预紧力相同的变化趋势。

不同参数下多级降压疏水调节阀消声分析

多级降压套筒疏水调节阀的节流内件为穿孔套筒,可兼备消声和流量调节两种功能。针对多级降压疏水调节阀噪声过大的问题,基于对冲孔结构消声传递损失理论,对套筒孔径、套筒壁厚及套筒间隙等内件参数不同的疏水调节阀进行传递损失数值模拟计算,对比分析不同套筒孔径、不同套筒壁厚及不同套筒间隙对疏水调节阀消声效果的影响。研究结果表明:套筒孔径对消声性能影响较小,平均传递损失最大相差1.4 dB;在消声频率段范围内,套筒壁厚对消声性能有明显影响,平均传递损失最大相差3.8 dB;而套筒间隙对消声性能影响主要体现在消声频率超过3 000Hz之后,平均传递损失最大相差3 d B。有关结论可为多级降压疏水阀内件降噪优化提供依据。

疏水调节阀降压套筒节流孔板射流流动特性数值模拟研究

疏水调节阀运行时产生的流激振动严重影响着稳定性与可靠性。采用降压孔板作为疏水调节阀多级节流内件的简化模型,基于计算流体动力学方法对不同开孔间距、不同开孔形式的孔板模型进行了射流流动特性数值模拟,定量分析不同孔间距、不同开孔形式下孔板的射流流动特性并将数值模拟结果与理论解与实测值进行了对比验证。结果表明:孔板开孔间距超过20 mm时,射流的卷吸作用会逐渐减弱,随着孔间距增加,其介质流速与压力波动程度都有所降低;当开孔间距以及开孔最小直径相同时,开孔形式为缩孔孔板的最大流速与总压均小于扩孔孔板模型,倒圆角模型孔板的最大流速与总压均小于无圆角孔板模型,故带倒角的缩口开孔形式的孔板作为套筒的首选节流件;射流孔中心轴线方向的径向流速分布与施力赫廷理论解和理查德实测值分布趋势一致,且初始段与基本段的径向速度分布并无明显区别。

泥水盾构接管用三通换向阀橡胶阀座密封研究

针对泥水盾构接管用三通换向阀密封结构易发生泄漏的问题,对三通换向阀橡胶阀座的密封特性进行研究,为提高其密封可靠性采用双道密封结构。建立双道密封结构二维有限元分析模型,对比分析橡胶双道密封在不同侧向介质压力、不同压缩量及不同倒角半径下的密封特性。结果表明:双道密封结构的von Mises应力与剪切应力与所受压缩量与侧向介质力呈线性关系;侧向介质力与倒角半径对第一道密封面的接触应力影响较大;密封面左侧的接触应力较高,第二道密封面的接触应力基本不变;当所受压缩量为2.0 mm,介质压力为1.5 MPa时,双道密封结构的综合密封性能最优。

三通换向阀阀内泥浆冲蚀磨损数值模拟研究

针对泥水盾构机接管系统中三通换向阀阀芯及管道易受泥浆冲蚀磨损问题,应用计算流体动力学中DPM(Discrete Phase Model)模型对阀芯缩径弯管与等径弯管进行对比分析。研究结果表明:泥浆流经等径弯管时对管壁造成的冲蚀磨损程度比流经缩径弯管时的冲蚀磨损程度严重;缩径弯管中凸台可以起到有效的扰流作用,消耗泥浆流体具有的动能,有利于减缓泥浆对弯管外壁面的冲蚀磨损;泥浆流经不同变直径管道时,对管壁造成的冲蚀磨损程度不同;其中泥浆从缩径弯管流向等径弯管处的冲蚀磨损率小于从等径弯管流向缩径弯管处的冲蚀磨损率。

基于教学产出的过程装备控制技术课程教学改革与实践

工程教育认证是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础,OBE理念进课堂是落实工程教育改革的"最后一公里"之所在。针对过程装备控制技术课程,兰州理工大学在基于教学产出的课程设计、教学实施、过程评价等方面进行了改革与实践。课程教学改革不仅激发了学生的学习兴趣,还有力地促进了学生知识、能力和素养目标的达成。

基于改进KDE算法的安全阀泄漏源定位

针对难以对安全阀微小泄漏孔进行准确定位的问题,提出了一种基于改进近似核密度估计(kernel density estimation,KDE)算法的泄漏源定位方法。该算法引入信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)追踪和相关性检测(coherence test,CT)相结合的方法提取受环境噪声影响较小且泄漏声源能量占优的时频支撑域,使得KDE算法应用于安全阀泄漏源定位的前提成立。在此基础上,通过分频融合处理抑制高频混叠,计算近似核密度函数,消减近似核密度函数三维谱图基底。通过MATLAB软件仿真计算,根据改进KDE谱图峰值得到安全阀泄漏源定位坐标。结果表明,工作压力分别为0.72 MPa,0.75 MPa和0.77 MPa的安全阀泄漏定位结果相对误差都在10%以内,通过声发射测试和改进KDE算法相结合的方法可以较为准确地实现安全阀泄漏源定位,且随着安全阀工作压力的增大,定位精度也相应提高。