高壓先導(dǎo)軸流式天然氣減壓閥建模仿真與性能優(yōu)化研究

【摘要】：本論文是在課題組與企業(yè)合作項目的支持下完成的。天然氣先導(dǎo)式減壓閥是保障天然氣輸配、門站系統(tǒng)正常工作的重要自力式控制類閥門。其主要功能是調(diào)節(jié)輸配管網(wǎng)壓力，保證負載設(shè)備正常運行。研究減壓閥的性能涉及到流體力學(xué)、工程熱力學(xué)和自動控制等學(xué)科中的一系列基礎(chǔ)理論問題。要改進減壓閥的性能，就必須研究不同元件參數(shù)組合下減壓閥所表現(xiàn)出來的動態(tài)特性，不同的流道結(jié)構(gòu)對于減壓閥流場特性的影響，以及減壓閥出口壓力波動及噪聲問題。本論文進行了以下一系列的研究，為改進天然氣先導(dǎo)式減壓閥的性能提供了可靠的理論依據(jù)。 運用Matlab軟件Simulink工具箱，根據(jù)天然氣先導(dǎo)式減壓閥結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作原理建立機械系統(tǒng)運動方程，氣體狀態(tài)和流動方程以及各腔壓力控制方程，繪制系統(tǒng)方框圖。重點采用子系統(tǒng)和S函數(shù)模塊進行動態(tài)模型仿真，得到系統(tǒng)動態(tài)特性，計算出天然氣先導(dǎo)式減壓閥在動態(tài)流量變化過程中各個時刻的狀態(tài)量，分別繪制不同進口壓力、彈簧剛度以及泄流孔直徑下天然氣高壓先導(dǎo)式減壓閥的動態(tài)特性響應(yīng)曲線。運用Matlab軟件Gatool工具箱對天然氣高壓先導(dǎo)式減壓閥結(jié)構(gòu)參數(shù)進優(yōu)化。根據(jù)不同設(shè)計變量，建立以輸出壓力為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，基于遺傳算法理論得出最佳適應(yīng)度和最佳均值軌跡，從而得到天然氣高壓先導(dǎo)式減壓閥動態(tài)性能最優(yōu)化的參數(shù)組合。 運用Solidworks軟件對天然氣先導(dǎo)式減壓閥內(nèi)部流道進行三維建模及網(wǎng)格劃分。采用天然氣理想氣體可壓縮流體模型，設(shè)置壓力進口和壓力出口邊界條件，應(yīng)用改進的RNG k-Epsilon模型求解得到天然氣先導(dǎo)式減壓閥內(nèi)壓力及速度分布云圖，以及壓差、流量等相關(guān)參數(shù)。分析了減壓閥在不同工況條件下的流場特性。對不同閥瓣形狀下減壓閥的流場特性進行分析，改進了閥瓣形狀，提高了減壓閥性能。 在流場分析的基礎(chǔ)上，利用標(biāo)準(zhǔn)IEC60534-8-3-2009《工業(yè)過程控制閥.第8-3部分:噪聲的考慮.控制閥的氣動噪聲預(yù)測法》對高馬赫數(shù)天然氣高壓先導(dǎo)式減壓閥所產(chǎn)生的噪聲進行了理論預(yù)估和分析計算。對于超過標(biāo)準(zhǔn)要求的噪聲范圍提出了改進要求，為今后的研究工作提供了方向。 【關(guān)鍵詞】：天然氣減壓閥 動態(tài)特性 優(yōu)化設(shè)計 流場模擬 噪聲預(yù)測
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TH134
【目錄】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 插圖索引10-12
• 附表索引12-13
• 第1章 緒論13-21
• 1.1 研究背景與研究意義13-14
• 1.1.1 研究背景13
• 1.1.2 課題研究的意義13-14
• 1.2 減壓閥的應(yīng)用及優(yōu)化理論14-18
• 1.2.1 減壓閥的主要功能及原理14-16
• 1.2.2 優(yōu)化設(shè)計與遺傳算法16-18
• 1.3 減壓閥性能研究的國內(nèi)外研究發(fā)展史18-19
• 1.3.1 國外研究歷史與現(xiàn)狀18
• 1.3.2 國內(nèi)研究歷史與現(xiàn)狀18-19
• 1.4 本文研究的主要內(nèi)容19-20
• 1.5 本章小結(jié)20-21
• 第2章 先導(dǎo)式減壓閥動態(tài)模型建立21-29
• 2.1 減壓閥的動態(tài)模型假設(shè)21-22
• 2.2 減壓閥的動態(tài)模型分析22-28
• 2.2.1 機械系統(tǒng)運動方程22-23
• 2.2.2 氣體狀態(tài)方程23-25
• 2.2.3 各腔流量方程25-27
• 2.2.4 各腔連續(xù)性微分方程27-28
• 2.3 本章小結(jié)28-29
• 第3章 先導(dǎo)式減壓閥動態(tài)特性仿真與優(yōu)化29-46
• 3.1 先導(dǎo)式減壓閥動態(tài)特性仿真29-40
• 3.1.1 仿真算法的選擇30-32
• 3.1.2 減壓閥 Simulink 模型建立32-34
• 3.1.3 仿真結(jié)果分析34-40
• 3.2 先導(dǎo)式減壓閥性能優(yōu)化40-45
• 3.2.1 減壓閥優(yōu)化模型的建立40-41
• 3.2.2 優(yōu)化方法的選取41-43
• 3.2.3 減壓閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的遺傳優(yōu)化43-44
• 3.2.4 結(jié)果分析驗證44-45
• 3.3 本章小結(jié)45-46
• 第4章 先導(dǎo)式減壓閥流場分析46-60
• 4.1 減壓閥內(nèi)部流場三維建模46-47
• 4.2 減壓閥內(nèi)部流場分析47-54
• 4.2.1 減壓閥內(nèi)部流場網(wǎng)格劃分47-48
• 4.2.2 確定數(shù)學(xué)模型48-49
• 4.2.3 求解器及邊界條件設(shè)置：49-51
• 4.2.4 減壓閥流場計算結(jié)果分析51-54
• 4.3 多工況流場計算結(jié)果分析54-56
• 4.4 閥瓣形式改進研究56-59
• 4.5 本章小結(jié)59-60
• 第5章 噪聲的預(yù)測60-71
• 5.1 閥門噪聲的產(chǎn)生及危害60
• 5.2 減壓閥綜合噪聲分析60-69
• 5.2.1 減壓閥內(nèi)流體流動狀態(tài)的判斷61-63
• 5.2.2 減壓閥噪聲的預(yù)估63-65
• 5.2.3 減壓閥噪聲的計算65-67
• 5.2.4 漸擴管噪聲的計算67-68
• 5.2.5 減壓閥綜合噪聲計算68-69
• 5.3 結(jié)果分析69-70
• 5.4 本章小結(jié)70-71
• 總結(jié)與展望71-73
• 參考文獻73-78
• 致謝78-79
• 附錄A 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文79-80
• 附錄B S函數(shù)模塊程序80-83
• 附錄C 綜合噪聲級計算數(shù)據(jù)83

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