含阻系统中多孔板的流动分析及其工业应用研究

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多孔板是管路系统中进行压力和流动调节、水力空化和吸声降噪的重要元件,对满足系统特定操作条件、保护设备与系统的安全稳定具有重要意义。随着国家重大工程的建设与发展,传统管路系统已不能满足复杂工况下的安全稳定运行要求;利用多孔板作为管路系统的外加组成元件,可起到对管路系统的压力与流量控制、水力空化和吸声降噪等作用。尤其在国际社会对节能环保越来越关注、国家政策对于先进制造越来越重视的背景下,开展对孔板、阀门和换热器等流动分析具有重要的科学意义与工程价值。本文在浙江省重大科技专项“极端工况下高效节能减温减压技术及装置的研制与应用”(2012C11018-1)、“抗污染超滤技术在海水淡化预处理中的研究与应用”(2012C13009)和“流程工业高效节能技术与绿色装备”浙江省重点创新团队项目(2011R50005)的支持下,通过数值模拟与实验方法,对多孔板的流动及其典型工业应用进行了研究分析。主要研究内容和成果有:首先,建立了多孔板在管路中的含阻系统模型。从系统分析方法入手,对弹簧滑块系统、直流电路系统、流场压降系统和平板传热热阻系统进行了分析研究,并对计算流体力学、场协同分析和实验分析三种流动分析方法进行了阐述;提出了含阻系统的概念,即其是一种系统分析方法,由阻元、过体和势头三个部分组成,可直接建立阻元对于势头的影响关系;结果表明采用其开展基于孔板结构的性能预测具有一定准确性。其次,建立了单级孔板的数值模型,开展了单相流和两相流分析,将典型模型与现有的文献结果进行对比验证,分析了孔板的孔板厚度、开孔率、中心孔和孔间距对于阻力特性和空化特性的影响;结果表明:开孔率对孔板的压降水平表现敏感,中心孔的存在可使压降水平下降约10%;出口压力较小时更容易发生空化;含阻系统的分析方法可较好分析开孔率等不同参数下的孔板压降水平等。再之,建立了多级孔板的数值模型,开展了阻力和气动特性分析,研究了两级孔板板间距、相同总空间下的多级孔板、两级孔板中心孔偏心和两级孔板旋转错位等对阻力特性和气动特性的影响;结果表明:当板间距增大到一定程度后压降不再上升;在相同空间下的多孔板结构板间距与压降水平在同一速度下成线性关系;偏心度较大时最大马赫数较高;旋转错位角较小时流动的影响范围较广;含阻系统的分析方法可对偏心距和旋转错位问题的压降特性等进行分析。最后,针对先导式截止阀、化工生产后处理过程集成装备蜂窝夹套、含多级孔板的减温减压装置等三种含孔板结构的典型工业装备进行了研究。(1)对先导式截止阀的阀芯处的流动特征进行了数值分析,并用实验结果进行了验证;对不同孔结构下的流动和汽蚀特性进行了研究,提出了基于含阻系统分析方法的先导式截止阀阀芯孔结构的设计方法。(2)对化工生产后处理过程集成装备中蜂窝夹套换热器进行了数值分析,并用实验结果进行了验证;对不同的孔分布情况下的传热与压降特性进行了分析,提出了基于含阻系统的蜂窝夹套换热器的孔分布设计方法。(3)对减温减压装置中多孔板的应用进行了研究,对多级孔板的马赫数和多级减压情况进行了数值分析,提出了应用含阻系统思维的减压阀内多级减压孔板的设计方法。结果表明:在含孔板结构的三种典型工业装备中,含阻系统的分析方法可较好地指导结构优化设计。此外,本文还提出了带手轮的两级孔板调压装置、螺旋错位型两级稳压孔板装置、可用于管路多级压力调节的孔板法兰、带波纹通道孔板的微通道板式换热器等新型多孔板或含多孔板的结构装置,作为含孔板结构装置的创新设计探索。
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