高參數(shù)減壓閥作為熱電聯(lián)產(chǎn)及供熱供汽等重大節(jié)能工程的關鍵配套部件,被稱為是工業(yè)系統(tǒng)的“咽喉”。隨著國家重大工程的建設與發(fā)展,高溫、高壓差和高流速等復雜工況不斷涌現(xiàn),高參數(shù)減壓閥內(nèi)流狀態(tài)將變得十分復雜,渦旋擬序結構在節(jié)流元件附近位置聚集,導致附近流域的流動不穩(wěn)定,進而誘發(fā)氣動噪聲,危害操作人員健康及設備正常運行。傳統(tǒng)國產(chǎn)高參數(shù)減壓閥已難以滿足復雜工況要求,只能依賴進口,受制于國外。一旦出現(xiàn)像中興“斷芯”事件,我國能源系統(tǒng)重大工程將面臨全面癱瘓的危險,對國家安全、社會穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展構成重大威脅。因此,開展高參數(shù)減壓閥的自主研發(fā)、內(nèi)流及氣動噪聲分析已迫在眉睫。本文在浙江省重大科技專項“極端工況下高效節(jié)能減溫減壓技術及裝置的研制與應用”(2012C11018-1)、浙江省自然科學基金重點項目“復雜工況減溫減壓系統(tǒng)噪音發(fā)生機理和降噪技術研究”(LZ17E050002)及浙江省重點創(chuàng)新團隊“流程工業(yè)高效節(jié)能與綠色裝備”(2011R50005)的支持下,提出一種高參數(shù)多級減壓閥,并通過理論研究、數(shù)值模擬與試驗驗證相結合的方法,對其可壓縮湍流特征及氣動噪聲進行分析。主要研究內(nèi)容和成果有:首先,開展適用于復雜工況的高參數(shù)多級減壓閥結構設計,并分析其多級減壓節(jié)流原理;對所設計高參數(shù)多級減壓閥內(nèi)可壓縮湍流進行數(shù)值模擬,分析其可壓縮流場特征;進行可壓縮流動試驗,分析其流量特性,進而驗證數(shù)值方法準確性;進行可壓縮流動參數(shù)化研究,考察不同結構參數(shù)對可壓縮湍流流場的影響。結果表明:所設計結構可較好控制蒸汽的絕熱壓縮過程,實現(xiàn)多級減壓;蒸汽壓力、速度、溫度和能耗均在多級套筒、多孔閥芯和多孔板等節(jié)流元件處發(fā)生突變;高參數(shù)多級減壓閥的流量特性為直線流量特性,試驗證明所采用可壓縮湍流數(shù)值模擬方法精確性較高;結構參數(shù)對亞聲速覆蓋區(qū)域、噪聲控制性能、湍流耗散性能及?損失分布均有較大影響。其次,采用聲源獨立法分別分析高參數(shù)多級減壓閥的四極子源和偶極子源氣動噪聲特性;比較分析兩種聲源貢獻量,判定主導聲源;開展開度對氣動噪聲特性的影響研究。結果表明:隨著頻率逐漸增加,四極子源各場點網(wǎng)格最大聲壓、各監(jiān)測點聲壓、聲強、聲功率級及噪聲分布范圍均先減小后增大,而偶極子源各聲學參量則逐漸減小;高參數(shù)多級減壓閥氣動噪聲呈現(xiàn)出以中頻和高頻為主導的連續(xù)寬頻特性;同一頻率點下,四極子源的最大聲壓大于偶極子源,四極子源為高參數(shù)多級減壓閥氣動噪聲主導聲源;隨著高參數(shù)多級減壓閥開度的逐漸增加,四極子源和偶極子源的最大聲壓、監(jiān)測點聲壓、最大聲強、噪聲分布區(qū)域均逐漸增加,但偶極子源所致聲壓的增長幅度要高于四極子源。再之,利用大渦數(shù)值模擬研究高參數(shù)多級減壓閥的瞬時湍動特征;可視化高參數(shù)多級減壓閥內(nèi)渦量分布情況;利用擬序結構識別法Q準則,有效捕捉高參數(shù)多級減壓閥流場內(nèi)部渦團結構及其演變規(guī)律;分析渦旋運動與聲壓關系,探究渦旋發(fā)聲機理。結果表明:隨著時間推進,多級套筒、多孔閥芯和多孔板處的減壓梯度及速度梯度均逐漸增大,對稱面最大亞格子湍流耗散率逐漸增大;初始時刻,渦旋呈現(xiàn)徑向周期性擺動,隨著時間遞進,表現(xiàn)出強烈三維特性;隨著流動發(fā)展,軸向、周向和徑向的蒸汽渦旋相互碰撞并耗散;高參數(shù)多級減壓閥內(nèi)的擬序結構主要聚集在多級套筒、多孔閥芯和多孔節(jié)流孔板等節(jié)流元件附近位置,導致附近流域的流動不穩(wěn)定;隨著時間推進,擬序結構由節(jié)流元件處逐漸向整個流動領域擴展,且內(nèi)流渦環(huán)沿軸向增長;節(jié)流元件處可見明顯渦辮區(qū),其中渦環(huán)由肋狀渦連接;高參數(shù)多級減壓閥內(nèi)氣動噪聲的最大聲壓與最大瞬時總渦量呈現(xiàn)線性相關特性。最后,采用聲源控制的主動降噪技術,改變多孔節(jié)流孔板結構參數(shù)從而優(yōu)化渦旋分布完成降噪;建立不同多孔節(jié)流孔板級數(shù)、厚度、孔徑和圓弧倒角的數(shù)值模型;分析結構參數(shù)對高參數(shù)多級減壓閥氣動噪聲特性的影響;建立多孔節(jié)流孔板結構參數(shù)與最大聲壓的數(shù)學模型。結果表明:隨著多孔節(jié)流孔板級數(shù)和圓弧倒角的增加,最大聲壓、最大聲強、氣動噪聲影響區(qū)域及噪聲輻射范圍均逐漸變小;而多孔節(jié)流孔板厚度和孔徑的增加,則導致噪聲輻射更為劇烈;在現(xiàn)有高參數(shù)多級減壓閥多孔節(jié)流孔板結構參數(shù)下,對于所建立最大聲壓與頻率點的數(shù)學模型,數(shù)據(jù)點基本都落在擬合曲線誤差±10%區(qū)間內(nèi);高參數(shù)多級減壓閥多孔節(jié)流孔板結構參數(shù)與最大聲壓的數(shù)學關系式可為工程實際氣動噪聲研究提供理論參考。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TH134
【部分圖文】：

熱電聯(lián)產(chǎn)、供熱供汽及超臨界火電等國家重大工程的建設。高程的關鍵配套部件，是調(diào)節(jié)流體介質流量與壓力等工藝參數(shù)，運行的關鍵控制元件[1]，被稱為是工業(yè)系統(tǒng)的“咽喉”。隨著展，高溫、高壓差和高流速等復雜工況不斷涌現(xiàn)，高參數(shù)減壓雜，渦旋擬序結構在節(jié)流元件附近位置聚集，導致附近流域的流噪聲，危害操作人員健康及設備正常運行。圖 1.1 所示為高溫。傳統(tǒng)國產(chǎn)高參數(shù)減壓閥已難以滿足復雜工況要求，只能依賴重大重點工程中，高參數(shù)減壓閥幾乎被國外產(chǎn)品壟斷，如美國neilan 公司、德國 SCHUF、ARCA 公司、瑞典 BTG 公司等，格封鎖的策略。一旦出現(xiàn)像中興“斷芯”事件，我國能源系統(tǒng)的危險，對國家安全、社會穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展構成重大威脅。因自主研發(fā)、內(nèi)流及氣動噪聲分析已迫在眉睫。

針對復雜工況，開展高參數(shù)多級減壓閥結構設計，分析其可壓縮湍流特征性、渦旋發(fā)聲機理和主動降噪技術，對推動我國減溫減壓技術與裝置的科國外技術封鎖和產(chǎn)品壟斷有著重要的科學意義和工程價值。閥可壓縮湍流研究進展工況下，高參數(shù)減壓閥內(nèi)流狀態(tài)十分復雜，特別是在節(jié)流元件處，流動狀湍流變化更為劇烈。且流動研究是后續(xù)氣動噪聲研究的基礎，因此，綜述閥可壓縮湍流領域的研究現(xiàn)狀。閥結構形式及分類減壓裝置[4]是熱力系統(tǒng)中熱能參數(shù)轉變和余熱利用的關鍵設備。減溫減壓壓系統(tǒng)、減溫系統(tǒng)、執(zhí)行機構和熱力調(diào)節(jié)儀表組成，如圖 1 所示。減壓閥置中的核心控制元件，其功能是對熱力系統(tǒng)中產(chǎn)生的高溫高壓過熱蒸汽進工作原理為利用內(nèi)部流道截面積的改變以控制熱力過程，從而降低流體壓

緒論，分類方法眾多。工程中應用較多的是按結構形式結構和閥芯結構兩種。按閥體結構形式可將減壓閥圖 1.3 所示。圖 1.3（a）所示為直通式減壓閥，其閥動方向不變。圖 1.3（b）所示為角式減壓閥，介質90o。兩種減壓閥均可帶有多級減壓附加固定節(jié)流裝置

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9 陸

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