蝶阀阀体后双弯管道湍流场数值模拟及其实验分析_惠伟.pdf

1、 上海交通大学硕士学位论文 蝶阀阀体后双弯管道湍流场数值模拟 及其实验分析 蝶阀阀体后双弯管道湍流场数值模拟 及其实验分析 硕 士 研 究 生：惠 伟 学号：1110209183 导 师 ：曹兆敏 研究员 刘应征 教授 申请学位：工学硕士 学科：动力工程及工程热物理 所 在 单 位：机械与动力工程学院 答 辩 日 期：2014 年 2 月 授予学位单位：上海交通大学 Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for the Degree of Master NUMERICAL SIMULATION OF TURBULENT

2、FLOW BEHIND A BUTTERFLY VALVE PLACED IN A DUAL-ELBOW CHANNEL AND ITS EXPERIMENTAL ANALYSIS Candidate：HUI Wei Student ID:1110209183 Supervisor：Prof.Cao Zaomin Prof.LIU Yingzheng Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Power Engineering and Engineering Thermal physics Affiliation：

3、School of Mechanical Engineering Date of Defence：Feb.,2014 Degree-Conferring-Institution：Shanghai Jiao Tong University 上海交通大学硕士学位论文 I 蝶阀阀体后双弯管道湍流场数值模拟及其实验分析 蝶阀阀体后双弯管道湍流场数值模拟及其实验分析 摘 要 由于结构简单、操作方便等原因，在动力工程、城市供水、化工、船舶等工业场合，蝶阀作为流动控制与调节的设备应用广泛。然而，在调节蝶阀阀门角度以实施流动控制时，蝶阀阀板下游常常有较大流动分离，容易诱发噪声辐射和结构振动等不利现象。布置在长

4、直管内部的蝶阀流动分离现象已得到了非常广泛的重视和研究。然而，在某些特殊场合，由于空间布置限制等原因，蝶阀常常需要和弯管就近配合使用，这使得蝶阀弯管系统内部的流动现象更加复杂；另一方面，这种情况对阀杆等相关驱动部件的控制来也带来诸多不利。因此，针对这一问题进行系统的研究和流场计算分析并获取相关力学特性是很有必要。本文旨在采用计算流体力学手段，结合模型气动实验，以某电厂热电联供汽轮机中低压连通管道抽汽蝶阀系统为原型，采取几何相似缩比模型，针对蝶阀阀体后双弯管道中存在的复杂流动及其振动特征进行研究分析。其现实意义在于可为用户了解内部复杂流场及振动特性、为选择蝶阀执行机构提供参考及为后续的改进措施提

5、供方法借鉴和理论依据。为此，本文主要完成了以下两项研究工作：(1)流场数值模拟研究,主要包括三个方面。第一，流场研究前期探索性研究，包括简化与原始模型对比、直管蝶阀与无蝶阀双弯管流摘 要 II 场分析；第二，进口雷诺数对流场影响研究；第三，阀门角度对流场影响的研究。(2)模型气动实验分析。主要包括扭矩测量，速度场测量及压力脉动测量，以验证数值计算的力学特性、流动时均特性和频谱特性。所得到的主要结果及结论如下：(1)相比其他两个模型，SST 模型最适合该模型流场的数值模拟；简化模型能够较好地模拟原始模型中复杂流场；直管蝶阀系统和无蝶阀双弯管模型的研究，有助于理解原模型中存在复杂的二次流、流动剪切

6、碰撞及分离等复杂等现象。(2)进口雷诺数对流场的影响是定量。当阀门角度为 45且进口雷诺数为45.810到52.410间时，相关量分布趋势相近。阀板受力xF和yF、阀板扭矩值、进出口无量纲压、中截面最大湍动能随雷诺数变化成近似二次函数增加趋势；能耗系数成近似成三次函数增加趋势；阀板最小无量纲压力系数为负值且逐渐减小；进口 Ma 数成正比增加，而模型最大 Ma 数并非线性增加，且二者比值逐渐增加。阀板前后前驻点位置基本不变(x=-0.21d)，而背流面一二分离区均在不断减小。(3)阀门角度对流场的影响是定性的，其中存在着复杂的二次流、流动剪切碰撞及分离等复杂等现象。当阀门角度从-45 经过 0 变为 45时，扭矩绝对值、阀板受力xF和yF、能耗系数、进出口无量纲压损、中截面最大湍动能均先减小后增大，而流量系数先增加后减小，且各量在 0 左右存在极值;在阀门角度绝对值角度从 30 变为 45 时，各参数发生急剧变化；比较阀门角度大小相同而旋转方向不同的工况，对流量系数、进出口无量纲压损及中截面最大 Ma 数，负角度下的值小于相应正角度值；而对能耗系数，负角度下的值则大于正角度下的值。各种工