大型煤气调节阀流固耦合分析

　　根据循环发电工程中大型煤气压力调节阀的实际结构和工作条件，建立调节阀流固耦合系统动力学模型，对调节阀中流体与阀芯的流固耦合问题进行研究。分析不同开度下流固耦合对流体速度和漩涡形成的影响，探讨在大流量煤气压力作用下的阀芯和阀杆的等效应力分布以及变形情况，揭示流固耦合对流场作用于阀芯压力的影响。从流固耦合问题出发研究大型煤气压力调节阀，实现调节阀在流固耦合作用下的结构优化设计，对于提高我国大型调节阀的设计研究水平，具有重要的生产实际意义。

　　钢厂在生产过程中会产生大量的焦炉和高炉煤气。为了降低钢厂的总体能耗和物耗、减少环境污染，目前许多钢厂开始利用废煤气发电，发展循环经济。钢厂循环发电工程采用的燃气轮发电机组，要求输入的煤气压力稳定。如何实现煤气稳压、实现快速响应是钢厂循环发电工程的共性问题。而调节阀的稳定性大多取决于调节阀内的气体流动，且与流动状态密切相关，因而，研究阀门稳定性好坏首先就要研究阀内气体流动及其基本规律，以及流体同固体的相互作用[1]。调节阀内大流量煤气的流动是复杂的非定常三维可压湍流流动，并且大型煤气压力调节阀结构复杂，阀内的流动边界也极其复杂，流体和结构之间耦合界面的位形事先未知，它们之间的相互作用是典型的流固耦合问题，调节阀内流体与阀芯的这种流固耦合作用又影响阀内流场的空间分布规律，会诱发出耦合振动、噪声，还会产生超常压力、应力等，使调节阀产生各种失稳现象，直接影响了工作安全。因此从流固耦合问题出发对调节阀尤其是阀芯和阀杆进行准确的受力分析是调节阀设计的重要前提。

　　近年来，流固耦合问题越来越受到人们的重视，这方面的研究涉及许多领域。关于阀的流固耦合的研究，文献[2-3]对节流阀进行了流场和结构场的耦合分析，研究了节流阀的流场分布和阀板的受力情况。国外对于流固耦合研究非常重视，研究较早。在美国，有一半以上著名大学的土木系都投入了对流固耦合的应用研究。20世纪70年代以来，管道及管路系统流固耦合问题有了长足进展，在众多模型中较为有代表性的是JournalofFluidsandStructures的创始人MPPaidoussis等学者的研究工作[4]，英国的GeorgePapadakis[5]提出了一种解决流固耦合问题的新方法，可以应用于预测管道的压力波动。但是，在系统耦合特性的研究中，阀常作为耦合边界条件处理，主要研究阀门前管路系统耦合特性，或者研究的阀芯多为锥形或楔形阀芯，在建立模型过程中做了大量的简化，而且由于不同阀门在结构上存在较大差异，至今没有真正通用的研究理论。作者根据循环发电工程中大型煤气压力调节阀的实际结构和工作条件，建立了调节阀流固耦合系统动力学模型，对调节阀中流体与阀芯的流固耦合问题进行研究。

1、控制方程

　　从总体上看，流固耦合作用仅仅发生在两相交界面上，在耦合交界处流体和弹性体具有相同的速度和压力，这是流固耦合的边界条件。在方程上的耦合是由两相耦合面上的平衡及协调来引入的。

　　采用有限元法来求解流固耦合问题，即对流体域、结构域均采用有限元方法来进行离散，边界条件在单元的组合过程中强迫实现。假定ΔXfs为耦合系统的变量增量，根据节点所在物理域的不同，得简化后的耦合振动方程[6]。

　　式中：上标f和s分别表示为流体域和结构域;下标C和I分别表示为耦合界面处和内部节点上的变量;Af、As为耦合系统的等效质量矩阵;ΔXfI、ΔXfsC、ΔXsI分别为流体域、耦合界面处和结构域内的节点未知数向量;RfI、RfsC、RsI分别为流体域、耦合界面处和结构域内的外力向量。

2、计算模型及边界条件

　　调节阀内气体的流动是复杂的三维可压湍流流动，调节阀结构如图1所示，公称通径为240mm，总长为700mm，阀芯直径为200mm。作者依据大型煤气压力调节阀的实际结构，建立其三维模型，图2所示为阀芯开度为50%的调节阀模型从对称面剖开后的状态，可看到内部区域结构，阀芯为流体压力平衡型阀芯。

图1 调节阀示意图

图2 调节阀三维模型

　　根据调节阀工作过程，流体分析时以阀芯—阀座—阀体的内流道作为仿真计算域，由于阀内气体流动为湍流流动，因此分析时取完整流道，同时为确保入口和出口处流体单向流动而不产生回流，将入口和出口管分别延长150mm，如图3所示。图4为调节阀平衡型阀芯的三维模型，用于流固耦合分析中的结构分析。

图3 内流道仿真计算域

图4 阀芯结构

　　流固耦合分析模型和边界条件根据循环发电工程中调节阀的实际结构和条件设定，图5为开度50%时阀芯与计算流道的装配图。

图5 阀芯与计算流道的装配图(开度50%时)

　　根据调节阀在钢厂使用时的实际条件，煤气进口压力为2.45MPa，而循环发电工程采用48MW的燃气轮发电机组，要求输入的煤气压力约为2.35MPa，因此流体分析时设定调节阀入口和出口均采用压力条件，阀芯、阀座和阀体设定为光滑壁面边界条件，初始条件由计算条件决定。应用K-ε两方程湍流模型来描述湍流模型。通过计算，得到流固耦合分析结果。

3、数值结果与分析

　　3.1、流固耦合对速度矢量的影响

　　图6和7分别为未考虑流固耦合作用和考虑耦合作用时流体在对称面上的速度矢量分布，显示了流固耦合对速度分布以及流体在调节阀内形成漩涡的影响大小。可以看到：当开度为25%时，流固耦合影响并不大，无论是否考虑流固耦合影响，速度最大值都主要发生在靠近出口一侧的节流处，而漩涡主要在阀芯的下方产生;当开度为50%时，考虑流固耦合时，靠近进口一侧的节流处速度有所增大，但速度最大处仍是在靠近出口一侧的节流处，漩涡主要发生在平衡型阀芯的内侧，而未考虑耦合时漩涡主要发生在阀芯的下方;随着开度的继续增大，当达到75%时，未考虑流固耦合的流场速度较大值出现在节流口附近以及阀体的底部，并且漩涡仍然在阀芯的下方，而考虑流固耦合作用时，靠近进口一侧的节流口附近速度最大，漩涡非常明显地出现在阀芯内侧。由于气流在流动过程中产生的扰动，即流体通过调节阀时所形成的漩涡和湍流是调节阀内产生能耗和流体噪声的根源，通过对漩涡和湍流分布的分析，可以揭示调节阀内气体流动的不稳定会导致阀门的振动，而其中阀杆-阀芯的振动表现比较明显的原因，这也进一步说明当考虑流固耦合作用时分析结果更加符合实际。

图6 未考虑耦合作用时流体速度矢量图

图7 考虑耦合作用时流体速度矢量图

　　3.2、流固耦合对阀芯等效应力的影响

　　调节阀在流体作用下受力复杂，因此从流固耦合问题出发对调节阀尤其是阀芯和阀杆进行准确的受力分析是调节阀设计的重要前提。图8和9分别为考虑流固耦合时平衡型阀芯的等效应力分布和阀芯变形情况。

图8 阀芯Mises等效应力分布

图9 阀芯变形情况

　　从图8可以看到，等效应力最大值都是出现在阀芯和阀杆的连接处，即这一部位为阀芯的最危险区域，并且随着开度增大，应力值也是逐渐增大的，这是由于当阀开度较大时，节流产生的压降比较小，从而使平衡型阀芯内的压力也比较大，此时的阀芯受力情况较恶劣。图9为在流固耦合作用下的变形情况，这种变形主要是由作用在结构上的气体弹性动力引起的。通过变形量可以知道在何处变形以及变形的大小。可以看到：任一开度下的阀芯和阀杆，其变形量都是不均匀的，最大变形量发生在阀芯的底部。随着调节阀开度的增大，阀芯和阀杆的变形量逐渐减小，当处于小开度状态时，阀芯和阀杆的变形量值相对较大，但相对于阀芯本身的尺寸，变形量还是很小的。因此设计大型压力调节阀时要选择开度较大的情况、进行更加详细的流固耦合分析，以使其在结构上能够获得优化，防止失效破坏现象产生。而且要特别注意调节阀处于大开度状态下阀芯和阀杆的安全，从而保证阀芯和阀杆的正常工作和使用寿命。

　　3.3、流固耦合对流场压力的影响

　　流固耦合的特点在于固体变形不仅取决于运动流体所给予的载荷，而且反过来影响流体的运动，从而改变了作用于固体表面的载荷。从阀芯上取不同位置的两点，其位置如图10所示，点1位于阀杆上，点2位于阀芯的底部外侧。分别监测这两个位置在无耦合和考虑耦合时的流场压力，表1中，p0代表未考虑流固耦合时该位置流场的压力大小，p1代表考虑流固耦合时该位置流场压力大小，(p1-p0)/p0的百分比则反映流固耦合对流场压力影响的大小。

图10 观测点位置

图11 耦合对流场压力的影响

表1 监测点压力变化

　　图11为不同开度下点1和点2位置流固耦合对流场压力的影响情况，结果表明，流固耦合对不同位置的流场压力是有影响的，对点1位置即靠近阀杆的位置流固耦合的影响较大，特别是当开度达到75%时，影响系数达到最大值。因此当开度为75%附近时，流固耦合对阀杆处流场压力的影响是不能忽略的。

4、结论

　　作者根据循环发电工程中大型煤气压力调节阀的实际结构和条件，建立了调节阀流固耦合系统动力学模型，对调节阀中流体与阀芯的流固耦合问题进行了研究。分析了在不同开度下，流固耦合对速度矢量和漩涡形成的影响，揭示了调节阀内气体流动的不稳定会导致阀杆-阀芯的振动表现比较明显的原因，进一步说明当考虑流固耦合作用时分析结果更加符合实际;探讨了在大流量煤气压力作用下的阀芯和阀杆的等效应力分布以及变形情况，认为最大等效应力值都是出现在阀芯和阀杆的连接处，因此设计大型压力调节阀时要对该部位进行更加详细的分析，以使其在结构上能够获得优化，防止失效破坏现象产生，而且当开度较大时等效应力相对较大，因此要特别注意调节阀处于大开度状态下阀芯和阀杆的安全，从而保证阀芯和阀杆的正常工作和使用寿命;研究了流固耦合对流场压力的影响，认为当阀的开度在75%附近时，流固耦合对流场作用于阀杆处压力的影响相对较大，是不能忽略的。因此，从流固耦合问题出发研究大型煤气压力调节阀，实现调节阀在流固耦合作用下的结构优化设计，对于提高我国大型调节阀的设计研究水平，具有重要的生产实际意义。

参考文献：

　　[1]屠珊.汽轮机调节阀内气体流动诱发的阀门不稳定性研究[D].西安：西安交通大学，2002.3.

　　[2]严宇，张力，张钊源.节流阀失效的流固耦合分析研究[J].石油化工安全技术，2006，22(2)：44-47.

　　[3]张传涛，单代伟，栾金堂，等.高压孔板式节流阀流固耦合分析[J].石油机械，2007，35(10)：37-39.

　　[4]PAIDOUSSISMP，LIGX.PipesConveyingFluid：AModelDynamicalProblem[J].JournalofFluidsandStructure，1993，7(2)：137-204.

　　[5]PAPADAKISGeorge.ANovelPressure-velocityFormula-tionandSolutionMethodforFluid-structureInteractionProblems[J].JournalofComputationalPhysics，2008，227：3383-3404.

　　[6]钱若军，董石麟，袁行飞.流固耦合理论研究进展[J].空间结构，2008，14(1)：3-15.