升降式止回阀动态特性分析及结构优化

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阀门是管线运输中极为重要的设备,通过阀门的开启度来调节控制管路系统中介质的流量、压力和流向。阀门应用广泛,种类繁多,其中止回阀是依靠介质压差力来实现启闭的自动阀门,当管路中介质倒流时,止回阀能在介质压差力作用下迅速制动,防止介质倒流,保护阀前的驱动装置。止回阀广泛应用于大型炼油、乙烯等石化项目中的长输管路系统以及大型装置中工况较为苛刻的管线系统。升降式止回阀是水平管路系统中典型的止回阀,本文以高压工况(15MPa)下DN28mm升降式止回阀为研究对象,主要开展了如下研究:(1)升降式止回阀在高压工况下的动态特性分析。借助计算流体动力学软件ANSYS Fluent,对升降式止回阀启闭过程进行了仿真模拟,研究了阀门流道内部压力和介质流速分布,分析了阀瓣运动的位移、速度和加速度。结果表明阀门在开启过程中,阀门内部速度以及压力分布不规则,在完全开启达到稳定流动后,能看到较为明显的介质流动轨迹,入口压力较出口压力大,阀瓣运动速度随时间越来越大,在完全开启时达到最大值。关闭过程中,能看到较为清晰的高速介质集中区域,阀内压力分布均匀,在完全关闭时,高压集中在阀瓣上端区域;阀瓣运动速度随着开度减小而增大,并在完全关闭时达到最大。(2)升降式止回阀的流阻分析及结构优化。借助SPSS软件设计正交试验表,使用方差法分析了相关参数对流阻影响的显著性。结果表明:可能影响流阻的因素有介质流速、入口直径、出口直径、中腔下端直径以及中腔上端锥度,其中介质流速对流阻无明显规律影响,而进出口压差随着入口直径以及中腔上端锥度增大而增大,随出口直径和中腔下端直径的增大而减小。基于上述结论,对止回阀进行了结构优化,优化后流阻降低了29.64%。(3)升降式止回阀关键零部件的强度分析。运用流固耦合方法对优化后的模型,借助ANSYS Fluent软件计算阀体内部压力,再使用ANSYS Workbench静力学模块将计算后的压力导入到阀体内表面,从而计算出关键部件的受力变形情况。结果表明:在阀门启闭过程中,阀体最大变形量集中在中腔上端靠近出口倾斜管道部位;阀瓣最大变形量主要集中在阀瓣右下角部位,并呈阶梯递减趋势;阀体等效应力分布均匀,阀瓣最大应力集中在阀瓣上端导向部分。本文对高压工况下升降式止回阀动态特性的研究方法和研究结果,对分析升降式止回阀动态特性、优化止回阀结构和保障止回阀启闭功能等具有理论和实用参考价值。
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