高压先导轴流式天然气减压阀建模仿真与性能优化研究

【摘要】：本论文是在课题组与企业合作项目的支持下完成的。天然气先导式减压阀是保障天然气输配、门站系统正常工作的重要自力式控制类阀门。其主要功能是调节输配管网压力，保证负载设备正常运行。研究减压阀的性能涉及到流体力学、工程热力学和自动控制等学科中的一系列基础理论问题。要改进减压阀的性能，就必须研究不同元件参数组合下减压阀所表现出来的动态特性，不同的流道结构对于减压阀流场特性的影响，以及减压阀出口压力波动及噪声问题。本论文进行了以下一系列的研究，为改进天然气先导式减压阀的性能提供了可靠的理论依据。 运用Matlab软件Simulink工具箱，根据天然气先导式减压阀结构参数及工作原理建立机械系统运动方程，气体状态和流动方程以及各腔压力控制方程，绘制系统方框图。重点采用子系统和S函数模块进行动态模型仿真，得到系统动态特性，计算出天然气先导式减压阀在动态流量变化过程中各个时刻的状态量，分别绘制不同进口压力、弹簧刚度以及泄流孔直径下天然气高压先导式减压阀的动态特性响应曲线。运用Matlab软件Gatool工具箱对天然气高压先导式减压阀结构参数进优化。根据不同设计变量，建立以输出压力为目标函数的优化数学模型，基于遗传算法理论得出最佳适应度和最佳均值轨迹，从而得到天然气高压先导式减压阀动态性能最优化的参数组合。 运用Solidworks软件对天然气先导式减压阀内部流道进行三维建模及网格划分。采用天然气理想气体可压缩流体模型，设置压力进口和压力出口边界条件，应用改进的RNG k-Epsilon模型求解得到天然气先导式减压阀内压力及速度分布云图，以及压差、流量等相关参数。分析了减压阀在不同工况条件下的流场特性。对不同阀瓣形状下减压阀的流场特性进行分析，改进了阀瓣形状，提高了减压阀性能。 在流场分析的基础上，利用标准IEC60534-8-3-2009《工业过程控制阀.第8-3部分:噪声的考虑.控制阀的气动噪声预测法》对高马赫数天然气高压先导式减压阀所产生的噪声进行了理论预估和分析计算。对于超过标准要求的噪声范围提出了改进要求，为今后的研究工作提供了方向。 【关键词】：天然气减压阀 动态特性 优化设计 流场模拟 噪声预测
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH134
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 插图索引10-12
• 附表索引12-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 研究背景与研究意义13-14
• 1.1.1 研究背景13
• 1.1.2 课题研究的意义13-14
• 1.2 减压阀的应用及优化理论14-18
• 1.2.1 减压阀的主要功能及原理14-16
• 1.2.2 优化设计与遗传算法16-18
• 1.3 减压阀性能研究的国内外研究发展史18-19
• 1.3.1 国外研究历史与现状18
• 1.3.2 国内研究历史与现状18-19
• 1.4 本文研究的主要内容19-20
• 1.5 本章小结20-21
• 第2章 先导式减压阀动态模型建立21-29
• 2.1 减压阀的动态模型假设21-22
• 2.2 减压阀的动态模型分析22-28
• 2.2.1 机械系统运动方程22-23
• 2.2.2 气体状态方程23-25
• 2.2.3 各腔流量方程25-27
• 2.2.4 各腔连续性微分方程27-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第3章 先导式减压阀动态特性仿真与优化29-46
• 3.1 先导式减压阀动态特性仿真29-40
• 3.1.1 仿真算法的选择30-32
• 3.1.2 减压阀 Simulink 模型建立32-34
• 3.1.3 仿真结果分析34-40
• 3.2 先导式减压阀性能优化40-45
• 3.2.1 减压阀优化模型的建立40-41
• 3.2.2 优化方法的选取41-43
• 3.2.3 减压阀结构参数的遗传优化43-44
• 3.2.4 结果分析验证44-45
• 3.3 本章小结45-46
• 第4章 先导式减压阀流场分析46-60
• 4.1 减压阀内部流场三维建模46-47
• 4.2 减压阀内部流场分析47-54
• 4.2.1 减压阀内部流场网格划分47-48
• 4.2.2 确定数学模型48-49
• 4.2.3 求解器及边界条件设置：49-51
• 4.2.4 减压阀流场计算结果分析51-54
• 4.3 多工况流场计算结果分析54-56
• 4.4 阀瓣形式改进研究56-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第5章 噪声的预测60-71
• 5.1 阀门噪声的产生及危害60
• 5.2 减压阀综合噪声分析60-69
• 5.2.1 减压阀内流体流动状态的判断61-63
• 5.2.2 减压阀噪声的预估63-65
• 5.2.3 减压阀噪声的计算65-67
• 5.2.4 渐扩管噪声的计算67-68
• 5.2.5 减压阀综合噪声计算68-69
• 5.3 结果分析69-70
• 5.4 本章小结70-71
• 总结与展望71-73
• 参考文献73-78
• 致谢78-79
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文79-80
• 附录B S函数模块程序80-83
• 附录C 综合噪声级计算数据83

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