不同开度下球阀内部固液两相流及磨损研究

发布时间：2020-08-09 11:55

【摘要】：球阀由于结构可靠广泛应用于管道水力输送系统中,输送的介质中存在固体颗粒,固体颗粒在水流的驱动下撞击在阀门壁面,使得球阀面临磨损破坏的风险。由于球阀启闭过程或者调节流量时会使过流截面产生变化进而使阀门内部两相流动情况发生改变,致使固体颗粒在流道内部呈现出不同的分布特征,进而会造使球阀及管道主要部件壁面形成不同的磨损特性。另外,固体颗粒直径的变化以及球阀放置方式的改变同样会影响球阀内部固液两相的流动特性。因此,本文采用实验和数值计算相结合的方法,通过改变球阀的开度,颗粒的直径以及放置方式研究阀门内部的固液两相流动特性和磨损的分布情况。为优化两相球阀结构以及为球阀的防磨损设计提供理论支撑。本文主要内容如下:(1)不同相对开度下球阀内部固液两相流动和磨损特性研究:通过对流体的计算源方程进行确定,对固体颗粒进行受力分析,并加入磨损计算公式,形成了基于CFD-DEM耦合方法的流程阀门两相流动及磨损计算模型,并进行了验证。在此基础上对球阀开展流动和磨损计算研究,其中对入口速度为3m/s,颗粒质量流量为0.45kg/s,相对开度分别为20%、35%、50%、65%、80%,颗粒直径分别为50μm、100μm、150μm、250μm、350μm、500μm。通过分析计算结果可知:球阀壁面的磨损主要出现在阀芯流道处,下游管道,球体壁面和阀腔内壁面;在同一入口速度下随着相对开度的增大颗粒从高速射流获得的动能减小,阀芯以及管道表面的磨损程度会随之减小;在相对开度为20%和35%时,磨损速率会随着颗粒直径的增大而减小。而相对开度大于35%时,磨损速率会先减小后增加。(2)放置方式对球阀主要部件壁面磨损的影响:搭建了两相流动磨损实验台和设计了球阀实验模型并展开了球阀内壁面固液两相流致磨损实验研究,并开展了数值计算。阀门开启角度为50°、60°、70°、80°,放置方式分别为水平和竖直方式。通过将实验测量所得的数据和数值计算的结果对比,进一步验证了计算的准确性。结果表明:球阀的放置方式对阀门内部的两相流动和磨损特性有着较大的影响;在小开度下,磨损片壁面会在颗粒的冲击下形成波纹状纹理;放置方式由竖直改变为水平时,由于重力方向的改变使得颗粒分布容易聚集在部分壁面附近形成保护层使得磨损速率的减小。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV134
【图文】：

硕士学位论文 不同开度下球阀内部固液两相流及钢材料公式中 C=2.17×10-7、nC=2.41、R1=5.3983、R2=10.1068、R3=R5=1.4234，BH 为布氏硬度，FS是颗粒形状系数（当固体颗粒为球形时取 1），up是颗粒速度。算域的建立和参数设置计算域的建立研究的球阀结构如图 2.1 所示，其中密封圈，阀杆以及阀腔间隙都不予芯流道直径为 50mm，其他尺寸如图所示，为了让固体颗粒能够随湍流算流场中球阀的上游管道长 20 倍管径即 1000mm，球阀下游管道长 1计算流场如下所示，速度方向为 x 轴正方向，竖直放置时重力方向沿 z 轴重力方向沿 y 轴向下。

图 2.1 计算域示意图模软件 Soildworks 对阀门内部流道进行三维建模，并流道模型进行网格的划分。本文对球阀流道采取非结 1D 管道进行局部的加密。如图 2.2 是球阀在相对开对开度以及开启角度下的网格只是阀芯的旋转角度不量也基本保持相等。在第三章会对网格无关性进行具

参数数值水)3m/s998.2 kg/m320%、35%、50%、65%、80%、95%竖直50μm、100μm、150μm、250μm、350μm、500μm玻璃珠2600kg/m3碳钢7900 kg/m3160BH 0.45kg/s实际应用中往往存在着不同的放置方式。通过搭建固液两相流动磨况下的球阀展开颗粒冲蚀磨损实验，研究球阀主要壁面的磨损情况包括：固液两相流动管道系统（如图 2.3）和磨损测量装置（如图

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本文编号：2787084