论文摘要
煤液化高温液控阀具有进出口压降大、介质流速高、操作频繁和运行工况多变等特点,其空蚀损伤十分严重。现有的科研攻关主要集中在通过材质升级和表面强化等手段提高阀体的抗空蚀性能,却收效甚微,至今德国SchuF阀的使用寿命不足1个月。本文在空蚀机理研究的基础上,针对液控阀的实际运行工况、流体物性和结构参数,开展空化流动的数理建模和数值分析,完成了空蚀失效的定量预测,为液控阀的结构和操作优化提供参考。本文从空蚀机理出发,基于空蚀损伤的力学作用机制,构建了近壁面单空泡变形和溃灭的数理模型,计算得到了空泡变形过程中泡壁的运动规律及其溃灭过程中产生的高速微射流和冲击压力;在此基础上,完成了在近壁面、附壁面、无限远场和成对空泡等环境特征下空泡溃灭过程的数值计算,并重点分析了在近壁面状态下空泡至固壁距离、空泡内外压力差、表面张力系数、液体粘性和来流等因素对空泡溃灭过程的影响;在空蚀机理研究的基础上,以煤液化热高分液控阀为研究对象,构建了空化流动的计算模型;运用Aspen软件,计算流体的物性参数,运用Fluent软件,获得两种典型结构的液控阀内部的流速、压力和气相分率等关键流体动力学参数的分布规律,完成了液控阀空蚀失效区域的定量计算,并结合液控阀的典型失效案例,验证了数值模拟方法的可靠性。同时,对比分析了进出口压力、操作温度、阀口开度、固体颗粒、阀芯角度等参数对空化区域和强度的影响,完成了液控阀的空蚀失效预测。本文的研究方法还可推广应用于煤液化装置其它设备、管道、泵阀的空蚀失效预测、结构优化设计、风险评估和寿命预测等,为煤液化装置的设计选材和安全运行提供技术支持。本论文创新性研究在于:1)数值分析了空泡在不同环境下的溃灭特性,捕捉到空泡在各溃灭瞬间的形态特征,完成了空蚀力学作用机制的定量计算,并对空泡溃灭的各影响因素进行定量分析;2)同时分析空泡内外压力差和液体流动对空泡溃灭的影响,并完成了双空泡溃灭特性的初步研究;3)采用煤液化热高分液控阀的实际操作参数和流体物性,完成了液控阀的空蚀失效预测,使计算结果更加接近工程实际。同时,考虑了固体颗粒相与空化流场间的相互作用,分析了颗粒的存在对空化流场的影响。?