调节阀-管道-流体系统流固耦合动态特性研究

调节阀-管道-流体系统流固耦合动态特性研究

摘要：针对调节阀－管道－流体系统的流固耦合问题，建立了考虑阀门定位器作用的系统动态仿真模型，给出了求解调节阀阀芯－阀杆系统响应的预估－校正算法和求解调节阀－管道－流体系统响应的流固耦合有限元方法，利用ANSYS 软件对系统在固定开度与变开度情况和流开型与流闭型情况下振动响应进行了

定性分析。研究表明：在给定压差下，管道以及流体流向对调节阀阀芯－阀杆系统的位移响应以及阀芯受到的流体不平衡力响应都有较大影响。

调节阀或称控制阀在冶金、电力、化工、石油等工业过程控制系统中起着重要作用。调节阀性能的提高往往因其振动问题而受到制约，在某些工况下产生的振动往往是引起各种事故的主要原因，振动严重时甚至引起阀杆断裂，影响机组安全平稳地运行。导致调节阀振动的主要原因是阀体内部流体流动的不稳定性。这种流体诱发振动的现象往往引起管道系统与工业过程控制系统的大幅振动与破坏。调节阀实际应用中往往出现这种情况，在出厂前不连接管道条件下进行的调节阀振动性能试验可以达到设计标准，但现场管网系统中使用的调节阀在运行过程中却在某些工况下发生剧烈振动。这是因为在实际工作环境中，调节阀振动不仅与阀体内部流体流动的不稳定性有关，而且通过流体与相连接的管道振动相互作用。为了解决这个问题，需要把调节阀、管道和流体作为耦合系统来考虑，通过分析耦合系统内部的相互作用，来研究其振动规律和机理。

关于调节阀-管道-流体系统中流固耦合相互作用的研究基本上分为两个方面：一方面，在管道动力学中，只侧重研究流体与管道流固耦合产生的流致管道振动，既使出现调节阀，也仅将其作为模拟阀门开关的流体扰动源或时变边界条件，而大多忽略调节阀自身的动态特性；另一方面，在调节阀动力学中，仅侧重研究调节阀内流体与阀芯流固耦合产生的阀芯-阀杆系统振动，而不考虑管道影响。将管道动力学与调节阀动力学结合起来，以调节阀-管道-流体系统振动为对象的研究成果，目前很少见相关文献报道。

本文以某型号单座式调节阀为对象，研究由调节阀与其两端充液管道组成的调节阀-管道-流体系统的流固耦合振动问题。通过对系统的有限元流固耦合模型进行仿真，分析流开型和流闭型调节阀在固定开度和变开度条件下系统的动态响应。

1.调节阀流固耦合动力学模型

1.1 单座式调节阀结构

单座式调节阀整体结构如图1所示。

图1 单座式调节阀结构示意图

单座式调节阀主要由执行机构和调节机构组成。执行机构将控制器输出电流信号转换为调节阀阀杆的直线位移；调节机构通过阀杆与执行机构相连，并将位移信号转换为阀芯和阀座之间流通面积的变化，从而改变流经阀体的流体运动状态。为了使阀芯和阀座之间的开度稳定在某个特定位置以保证实现控制器所要求的目标状态，调节阀设有阀门定位器附件，组成以阀杆实际位移为测量信号，以控制器电流输出为设定信号的反馈控制系统。

1.2 阀芯-阀杆系统动力学模型

对于特定调节阀结构，其调节性能主要取决于阀芯-阀杆相对阀座的运动。阀芯-阀杆与气室弹簧、填料、流体等组成一个流固耦合动力学系统。在建立阀芯-阀杆动力学模型之前作如下假设：①调节阀内部的流体（水）是不可压缩的；②在调节阀工作过程中，水没有热交换；③阀杆与填料之间的摩擦力认为是一种粘性阻尼力；④整个阀体为刚性体，忽略其弹性变形；⑤阀芯-阀杆只沿轴线运动，不考虑横向运动；⑥单座阀的执行机构为气动正作用执行机构。

根据以上假设以及单座阀的结构图，可以将阀芯-阀杆系统简化为一个单自由度质量-弹簧-阻尼系统，如图2所示。阀芯位移坐标原点设在阀门全关的位置，取向上为正方向。

图2 阀芯-阀杆系统动力学模型

根据图2所示，单座阀阀芯-阀杆系统动力学方程为

（1）

式中X（t）、y6789157150为阀芯t时刻的位移、速度及加速度；m为阀芯-阀杆系统的总质量；k为弹簧刚度系数；c为等效粘性阻尼系数；Fc（t）为执行机构作用在阀芯上的控制力；Fl（t）为流体不平衡力；g为重力加速度。

式（1）中的流体不平衡力Fl（t）是指直行程调节机构中流体作用在阀芯上的轴向合力，其大小与调节阀两端的压差、阀芯大小和形状、调节阀类型、阀上游压力、流体流向及流体物理特性等因素有关。对于流开式调节阀（图1中流体从左侧流入，右侧流出），不平衡力

（2）

式中p1：阀前压力（Pa）；p2：阀后压力（Pa）；Δp：前后压差（Pa）；ds：阀芯直径（m）；dz：阀杆直径（m）。

对于流闭式调节阀（图1中流体从右侧流入，左侧流出），不平衡力

（3）

当调节阀与管道连接时，阀芯受到的实际不平衡力Fl（t）由阀芯上下表面分布

的压力（通过下面有限元流固耦合计算）对阀芯表面面积积分求得。为了使求解过程简化，可以将不平衡力近似认为流体压力在阀芯等效横截面积上作用的结果。式（1）中控制力Fc（t）是指执行机构作用在调节机构阀芯-阀杆系统上的轴向力，其大小与电-气阀门定位器结构参数、控制器输出电流信号产生的电磁力，以及阀芯位移有关，即：

（4）

式中p，q，T为与定位器结构性能有关的参数，N（X0）为与指定目标位移X0

成比例的电磁力。

因此，调节阀阀芯-阀杆系统动力学方程可写为：

（5）

2.调节阀-管道-流体系统流固耦合有限元模型求解

本文利用ANSYS软件对调节阀-管道-流体系统进行有限元流固耦合建模分析。管道和调节阀阀芯-阀杆系统会在动态流体压力作用下发生振动位移，位移的大小反过来将影响管道和调节阀内的流场分布，从而形成流固耦合作用。流固耦合模型需要采用循环迭代方法求解。

2.1 调节阀阀芯-阀杆系统流固耦合模型预估-校正求解算法

由于调节阀阀芯与流场接触面为移动壁面，而阀芯移动规律无法预先给出，因而ANSYS软件本身的流固耦合方法无法满足未给定阀芯运动规律时的计算要求，因此，本文采用预估-校正算法来解决这种情况下的流固耦合问题。根据阀芯-阀杆系统动力学方程（1）和预估-校正算法，可得出单座阀的预测步和校正步计算表达式分别为：

预测步：

第r步校正步