防爆阀作为重要的安全屏障,被广泛应用于配备大型柴油机的船舶、石化、采矿等领域,而其安全可靠性常会受到阀门系统动态不稳定性和阻燃片系统降压阻燃性能的制约,导致事故频仍。目前国内外针对防爆阀的研究方法主要包括数学建模法、实验法和CFD仿真法,但由于研究方法各自的局限性和防爆阀子系统间的耦合性,使得研究结果说服力不足。因此,本文综合使用三种研究方法,根据部件结构、工作特点和研究需求,构建了完整的防爆阀系统模型;运用实验法验证,确定了防爆阀系统仿真研究的湍流模型;通过动态仿真分析,了解了防爆阀的启闭动作原理,分析了系统的动态特性;基于拉丁超立方设计和代理模型回归,对阻燃片结构进行优化设计,提高了阻燃片的降压阻燃性能。建立防爆阀系统的计算模型。根据安全阀系统、阻燃片系统和容器系统的结构特征、工作机理与仿真重点,对安全阀系统进行力学建模和网格模型简化;对阻燃片系统采用多孔介质建模和等效体积建模,并以流体力为指标完成了简化模型的评估;对容器系统选择数学建模研究,定义了开启和回座机制。该计算模型不仅减少了计算网格数目,还提高了仿真迭代效率,为后续动态特性研究和优化设计打下了基础。验证湍流模型。充分考虑防爆阀系统所处工作环境的局限性和各个子系统对湍流模型的敏感性,本文在理论分析阀门仿真研究常用湍流模型的基础上,以安全阀气压实验台的测试结果为参照,采用Fluent仿真平台计算了多个阀盘开度下的质量流量和流体力,完成了四种常用湍流模型对阀门系统射流现象模拟效果的评估验证,有利于增强防爆阀系统CFD仿真计算结果的说服力。防爆阀的动态特性分析。以通径100mm的防爆阀系统为研究对象,采用二维简化网格模型,运用动网格技术,配合用户自定义函数(UDF),完成了阀盘运动方式的定义和计算数据的读写,达到了防爆阀系统流固耦合分析的效果,研究了防爆阀在三种典型工作过程中的动作机理。基于代理模型的阻燃片优化设计。在三维轴对称计算模型的基础上,先选择了拉丁超立方法完成试验设计,然后利用CFD仿真技术求解了对应结构参数下防爆阀的压降、温降数值,再基于四种常用代理模型进行了回归分析和精度评估,选择了最佳模型(RBF),最后使用遗传算法完成了对防爆阀阻燃片系统的流道结构参数的优化,提升了阻燃片系统的降压灭焰性能。