仿生引流式煤液化调节阀阀座空化抑制行为研究

调节阀作为煤液化系统中的重要液压元件,其性能的优劣严重影响着煤液化系统的安全性和稳定性

。然而,空化汽蚀是调节阀长期运行中常见的失效形式,通常会对调节阀的结构造成严重损坏。特别是在调节阀喉部的节流部位,介质流速的突然增大导致静压明显低于饱和蒸汽压,析出的气泡与流体介质形成“两相”运动,产生节流空化现象

。这不仅缩短了调节阀的使用寿命,而且增加了维护和维修的成本。另外,调节阀内的空化流动也会引起噪声和振动。因此,开展对调节阀空化特性的研究迫在眉睫,提高煤液化调节阀的抗空化性能更为重要。

针对调节阀空化失效的问题国内外许多学者开展了相关研究。Zheng等

研究煤液化调节阀阀芯头部的失效形式,分析得出在阀芯头部出现高速回流区域,由于空泡的坍塌和回流的驱使下,阀芯头部发生严重的空蚀磨损。吴姿宏等

研究调节阀的进口压力对空化位置、形状、面积和强度在轴向和径向上的影响,并分析轴向和径向的压力分布,结果表明空化过程径向呈环形,轴向呈不规则多边形。Liu等

针对调节阀内部复杂的空化流动现象,采用实验研究的方法分析了沿着流道轴向方向上空化区域分布的形式、空化轴向长度随背压的发展。Cobera等

提出了一种新的蝶形阀多参数优化模型,研究了蝶形阀流场的变化,并对蝶形阀的结构进行了优化。Ou等

研究了减压阀的内流空化特性,研究了压力变化对空化的影响,为减压阀的优化提供了理论依据。

为了进一步提高调节阀的抗汽蚀性能,延长使用寿命,国内外学者提出抑制调节阀空化的方法

。一方面,研究人员专注于开发高强度材料,使用高强度、高刚性和高韧性材料代替常规材料

,然而这种提高调节阀强度的方法并不经济。另一方面,开展了添加仿生结构以改变流动模式的研究

。在自然界中,生物为了适应不断变化的复杂外部环境,生物各自进化出独特的生活方式,这些能为工程问题提供快速有效的解决方案

。徐贺等

根据红柳树皮的形态设计出6种仿生抗冲蚀凹槽结构,以汽相体积百分比与冲蚀磨损率作为变量,验证该仿生阀芯结构可有效减少含沙水流对阀芯的冲蚀作用。李畅等

分析了具有仿生射流孔阀芯和非光滑槽阀座结构对主阀口空化特性的影响,并通过ISIGHT对不同结构参数进行优化,最后通过可视化实验观察不同工况下的阀口空化现象。Wang等

研究一种将动物(功能仿生)和植物(形状仿生)的优点结合在一起的新方法,设计一种新型的水液压阀阀芯结构,以提高阀芯的抗颗粒侵蚀性能和阀芯的使用寿命。

本文针对煤液化调节阀内的严重空化问题,主要基于Bio-TRIZ方法设计调节阀的仿生引流式阀座结构,采用数值和实验相结合的方式对仿生引流式结构调节阀的空化情况进行定量分析。本文的研究结果可为阀门类空化现象研究与延长调节阀的使用寿命提供有益的借鉴。

1 实验系统

实验系统装置如图1所示,主要包括高速相机(Phantom VEO-710L)、光纤灯(LA-100USW)、透明阀和计算机。压力表用于测量入口和出口压力,上游涡轮流量计用于测量进口流量。调节阀的几何结构来源于煤直接液化工程中的热高分调节阀,根据流体力学相似理论,其尺寸是原始几何尺寸的1/10,实验阀材料采用透明光滑的有机玻璃(PMMA),以便观察空化流场。实验过程中,采用光纤光用作高强度照明光,高速相机的拍摄帧率设置为20 000帧/s,用于观察空化瞬时形态,实验中采用同向照明的方式,即光纤源和高速相机安装在同一侧。

2 数值模拟

借助于Fluent软件对煤液化调节阀空化流场的分布特性进行仿真研究,通过数值模拟方法模拟和分析不同阀座(原始阀座和仿生阀座)结构的流场分布特征,并探究仿生引流式阀座结构对空化流场特性的影响。

2.1 控制方程

在数值模拟中,忽略流体重力和传热性能的影响,并且假定液压油是完全不可压缩的流体。基于上述假设,调节阀数值模拟控制方程如下。

(1)连续性方程

(1)

为了确保该仿生生物模型在设计后起到空化抑制的作用,在对墨鱼喷嘴结构与调节阀进行结构映射后,研究仿生结构与设计目标之间的相似性对比。相似性分析主要从功能、结构和边界条件的相似性3个方面进行研究。

式中:

为阀芯在某一开启开度的位移;

为阀芯的总升程。从图1中可以发现,仿生阀座附近空化分布位置与原始阀座相似。随着开度的增加,空化区域长度以及空化剧烈程度都在提高尽管调节阀开度不同,但是与原始阀座(图10(a))相比,仿生引流式阀座(图10(b))附近空化均得到了不同程度的抑制。仿生阀座附近不仅空化长度得到了抑制,且不同位置处汽相体积分数的数值都不同程度地降低,即空化发生与发展均得到了有效抑制。

政协制度是贯彻党的群众路线的基本制度。人大制度是反映国家政治生活性质和政治力量源泉的根本性制度。它作为人民当家作主的关键制度设计，其具有很大代表性，但还不能囊括所有的方面。此外，中国共产党是领导国家的核心力量，但还不是全部力量。中国共产党践行群众路线还需要通过统一战线团结联合其他力量。人民政协是中国人民爱国统一战线的组织，是中国共产党领导的多党合作和政治协商的重要机构，是中国政治生活中发扬社会主义民主的一种重要形式。人民政协作为具有中国特色的制度安排，成为中共践行群众路线的基础通道。

(2)

式中:

为混合相黏度;Δ

是流体微元压力梯度。

苗木在装车时应轻拿轻放，不得损伤苗木和造成散球，人力搬不动的土球必须用吊车起吊，起吊时应用绳网兜，不得用绳索绑缚树干起吊，起吊超过1t的大型土球，应在树干绑缚处缠裹草绳或麻袋等，吊索应用帆布袋吊起，并把握好重心，轻吊轻放，土球朝向车头方向，树冠朝向车尾方向摆放整齐。对于裸根苗木运输，根部应蘸0.5%尿素浆，保持根系湿润，装好后上盖蓬布绑扎结实。

为了描述调节阀内部流场流体流动的变化特征,选取节流口处压力场、速度场和空化场进行分析,如图7所示,沿

轴进行均匀切片处理,计算每一个横截面上的平均值,将优化结果进行量化,来表征各个参数在轴向上的变化规律。

(3)

从Rayleigh-Plesset方程导出的源项定义如下空化模型

(4)

(5)

式中:

为蒸汽相体积分数;

为流体微元半径;

和

为流体微元中心压力与流体饱和蒸汽压;

为蒸汽相产生率;

为蒸汽相凝结率。

实验材料东方百合‘索邦’购于北京市百合合作社。根据花被片花色积累的变化，对花蕾的9个发育时期(长度分别为5、6、7、8、9、10、11、12、13 cm)花蕾长11 cm时的11个组织部位(包括：外花被、内花被、花丝、花药、柱头、花柱、子房、上部叶、中下部叶、嫩茎和茎生根)(图1)及10种光照处理(分别为黑暗处理：1、2、4、8 h和光照处理：1、2、4、8、12、16 h)后的花蕾进行取样。样品均设置3个重复，采集后保存于 - 80℃ 冰箱备用。

2.2 几何建模与网格划分

根据煤液化调节阀的工程结构和空化流动的基础理论建立如图2所示的调节阀三维结构,流体的流动方向与

轴的正方向一致,调节阀的入口和出口直径分别为5 mm和25 mm,喉部的孔口直径为6.5 mm。

由于调节阀流道为旋转对称结构,为了减少数值计算时间并提高仿真效率,本文采用1/4对称模型结构进行数值仿真,图3为对应的调节阀流体域几何模型。采用ANSYS ICEM进行网格划分,调节阀模型采用混合网格划分方式对流体域进行网格划分。由于喉部区域流场结构复杂,采用非结构化网格且进行网格加密处理,其余部分采用结构化网格以提高仿真计算效率。根据图4可知,当网格数大于等于25万,调节阀入口质量流率的变化小于1%,因此本文选择的网格数为251 635。

根据相似性评价方法,分析墨鱼喷嘴结构与设计目标之间的相似性,选择权重系数的评估因子集为

=[

,

,

]=[功能,结构,边界条件],基于评价因素集并结合判断矩阵标度,判断矩阵

可以表示如下

本文数值数值模拟的边界条件和流体物理参数如表1所示。基于压力求解器,采用Mixture多相流模型、Standard

-

湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型;采用标准壁面函数处理靠近壁面处流场的流动状态,压力离散格式为PRESTO!,各方程离散格式都为二阶迎风格式,计算收敛残差均设置为1×10

。

1995年，CBA联赛建立之初，彼时的市场环境跟如今大不相同。当时各队的人才交流，远不如现在那么自由，外援的水平也无法真正左右战局。所以，球队的真正实力如何，比的还是本土球员的阵容厚度。拥有强大人才储备的八一男篮，在当时扮演着统治者的角色。山东男篮帐下，以巩晓彬为代表的“三驾马车”，是联赛中少数能跟八一男篮一争高下的队伍。

3 仿生设计

本文基于Bio-TRIZ的仿生创新方法

,首先,针对调节阀失效等工程实际问题进行描述,使用Bio-TRIZ中的结构、空间和物质等操作域表达工程实际问题

;其次,利用Bio-TRIZ冲突矩阵确定Bio-TRIZ的特解;最后,对自然界生物特解进行分析,并完成几何模型的重构建模。

当调节阀工作时,常处于高压差大流量的工作环境下,由于节流口部位的节流作用,该区域的流速最高,而压力会降低到介质的饱和蒸气压以下,产生空化。高速介质流体会破坏阀座结构,导致调节阀空蚀失效,而海洋生物墨鱼可通过喷嘴结构改变周围流场流动,实现在海水进行快速的运动,其特性与调节阀的边界条件与功能特性极为相似。因此,结合墨鱼喷嘴的结构和功能特性,设计了调节阀的抗空蚀的仿生引流式阀座结构。阀座仿生设计的框架如图5所示。

式中:

为速度矢量;

为混合相密度。

文章篇幅较长，通过大量场景描写和人物语言描写，采用对比的手法，将情节发展推向了一个又一个高潮。借助这个海难史上几乎全员生还的奇迹，站在整体的角度去定位中心话题，让学生以一种全新的视角去看经典，多元化、多角度构建阅读心理，通过对话深入理解课文，提升思维层次。明白正是因为在这场海难中，有着惊人的沉着冷静、果断智慧的哈尔威船长的领军作用，加之在灾难面前船员的各尽其职，乘客的积极配合，肇事船只的主动营救这些不可忽视的因素，才产生了这样的奇迹。在灾难面前每个人都履行自己的职责，勇于承担责任，本文无疑使我们在敬畏生命的同时，产生深深的思索。

基因突变是生物产生新基因的根本途径，是生物遗传变异的根本来源。优势个体发生基因突变往往是有害的，它们所携带的优势基因往往会突变成劣势基因，导致个体在遗传过程失去了竞争优势，从而被淘汰掉。相反，劣势个体发生基因突变带来的是利多害少，突变之后的个体适应度将会得到提高，使得个体具有更强的竞争力，整个群体的进化也因此向着适应度增加的方向进行。

(6)

求解判断矩阵

的最大特征值

以及最大特征值所对应的特征向量

=[

,

,…,

],整理计算得

=[0.902 7,0.394 3,0.172 2],

=3.073 5,为保证判断矩阵

的准确性和可信度,需要对判断矩阵进行一致性检验。使用随机一致性比率

进行判断矩阵

的一致性检验

隐含层节点个数的确定没有准确的理论依据，需要依据前人设计经验以及具体试验来确定，对用于模式识别/分类的BP网络，可参照下式进行设计。

(7)

(8)

式中:

为一致性指标;

为矩阵阶数;

为平均随机一致性指标。

查表得

=0.514 9,结合式(7)和式(8)计算可知

=0.036 8,

=0.071 3,当

<1时,则认为判断矩阵具有良好的一致性,即判断矩阵

的单位特征可以用作相似元素的权重系数因子。最后,生物原型与设计目标的相似度

可以计算如下

=

(

)+

(

)+…+

(

)

(9)

其中

=[0.7,0.5,0.6]。根据式(9)计算得

=0.932 4>0.9,表明墨鱼喷嘴结构可用作仿生模型来优化煤液化调节阀的结构。因此,设计该仿生引流式阀座结构如图6所示,且由于尺寸结构限制,引流孔直径为1.0 mm。

4 结果分析与讨论

4.1 空化场分析

(3)本文基于Schnerr-Sauer的空化模型,液体蒸汽传质受蒸汽输送方程控制

本次竞赛的幼儿故事讲述题目为 《猴子捞月亮》，主要从以下五个方面进行幼儿故事讲述前的案头准备工作：首先要将故事结构划分为两个部分：1、猴子们惊讶地发现井里的月亮。2、猴子们费劲心力捞取月亮；其次，对故事中的猴子进行角色划分：小猴、大猴、老猴、群演猴1，群演猴2，并根据故事对白，设定出角色的年龄、性格和性别特征；接着，运用适当的态势语言以加深幼儿对故事内容的记忆与理解，设计出符合动物形象特征的面部表情、动作姿态，以求得故事讲述时的惟妙惟肖；最后，要告诉小朋友遇事要多动脑筋的故事寓意。

图8为煤液化调节阀在进口压力4 MPa、出口压力1 MPa的工况下,节流口处的压力分布云图,由于流体在该区域受到的流动阻力较大,所以压力梯度较大,压力急速下降,导致空化的产生。对比原始阀座(图8(a)),可以发现仿生阀座结构(图8(b))中压力变化的分布位置与原始阀座相似,然而仿生引流式调节阀内部流场的压力变化梯度小,从高压区域到低压区域的过渡相对平滑。由于该仿生引流孔结构的存在,将调节阀高压区的流体引流到喉部低压区,以改善节流口区域的压力梯度分布。

为了分析不同阀座附近空化区域的压力变化,提取了优化前后调节阀流场压力沿轴向变化曲线如图9所示。仿生阀座附近由于引流口的存在会引起较小的压力波动,从而使得喉部区域的最低压力由3 255.89 Pa提高到6 921.52 Pa,且处于最低压力区域的轴向长度也大幅度减小。仿生引流孔阀座结构能够提高喉部区域的最低压力,从而可以有效改善喉部局部压力分布。

当调节阀喉部节流区域的压力低于饱和压力时,阀芯头部会出现严重的空化现象。图10为具有两种阀座的调节阀在不同开度(1%、30%、5%和7%)下的空化汽相体积分数云图,其中调节阀相对开度为

=

(2)动量守恒方程

图11为不同开度下两种阀座附近汽相体积分数变化曲线,汽相体积分数随着轴向距离增加先逐渐增大后急剧下降,表明空化在节流口下游附近区域产生,并向下游扩张段发展并进入溃灭阶段。由于空泡溃灭发生时较为迅速,导致汽相体积分数急剧下降,即在小开度工况下,如图11(a)、(b)所示,仿生阀座结构的汽相体积分数曲线的峰值显著降低,流场各处空化得到了改善,空化区域长度没有发生改变,小开度下仿生阀座结构抑制了空化发生的剧烈程度;在大开度工况下,如图11(c)、(d)所示,仿生引流孔结构不仅影响了汽相体积分数的大小,而且减小了空化区域的长度,加速了空化的发展与溃灭,进一步证实仿生阀座能够抑制调节阀空化的产生与发展。

4.2 空化抑制效率

为了定量评价该仿生阀座结构对空化抑制的效果,本文提出空化抑制效率

。调节阀内部流场汽相有效体积为

(10)

=1-

′

(11)

式中:

为控制体总数;

为每个控制体内的汽相体积分数;

每个控制体单元体的体积;

为原始阀座的汽相有效体积;

′为仿生阀座的汽相有效体积。

图12为根据式(1)计算获得的不同开度下两种阀座结构的内部流场的汽相有效体积。从图中可以看出:随着相对开度的增大,原始阀座结构的汽相体积呈线性增大趋势,即随着开度的增加,空化剧烈程度逐渐加剧。相比较而言,仿生阀座的汽相体积增大较为平缓,特别当达到5%开度时,汽相有效体积不再明显增加。因为仿生引流孔结构的剪切作用,使空泡在剪切作用下快速溃灭,从而抑制了空化的发展。

图13为根据式(11)计算获得的不同开度下仿生阀座的空化抑制效率变化曲线。从图中可看出,空化抑制效率

随着开度的增加呈现出线性增长趋势,在7%开度下,空化抑制效率达到了32.81%,表明调节阀在大开度情况下,该仿生引流式阀座结构抑制空化的效果更为显著。

4.3 空化图像分析

由于空化的发展、溃灭等动力学行为使空泡群的密度和数量分布不同,其在空化图像上对应的灰度值亦会发生变化

。为了更加深入地探究空化附着区域的分布特性,本文基于图像后处理技术,分析了空化图像沿流动方向上灰度值的变化规律。

由于空化的形成、发展和溃灭具有周期性

,为了减小其对稳态空化形态的影响,下文所提到的空化灰度图像都是将同一工况下连续拍摄的8张图像进行叠加计算得到的

,并借助空化灰度图像灰度值变化来描述空化区域的变化规律。图14为拍摄进口压力为4 MPa、出口压力为1 MPa的工况下,不同开度下两种阀座附近空化区域的发展过程。实验结果表明,随着相对开度的增加,两种阀座附近图像平均值图像的灰度值均增大,空化剧烈程度都增强。但是,与原始阀座相比,不同开度下仿生阀座的空化图像平均灰度值均减小,说明仿生引流孔结构能够抑制空化的发展,与仿真结论相一致。

为了进一步定量分析该仿生阀座的空化抑制效果,采用空化图像的平均灰度值

来进一步量化空化的轴向长度,其数学表达式为

(12)

有一种叫“竽”的乐器，外形和笙极为相似，容易让人混淆。其实它们的差别的确不大，都属于匏类乐器，只是竽比笙大，管数也比较多。

本文将平均灰度值

大于其中值

的轴向长度定义为空化长度

,其中

=(

(

)

+

(

)

)

2。计算获得了平均值图像中轴向上的平均灰度值

的变化曲线,如图15所示。

有些一词多译通过增词表示强调,如“最高债权额”一词的译文“maximum allowable amount of creditors’ rights”和“maximum amount of creditors’ rights”,两者仅相差一个“allowable”。两种译文在词义上也不会因为添加了或减少了一个词而有所变化。因此,“allowable”的作用在于强调这个最高债权额的范围,是合同中所约定的、允许的最高债权额。

图16为不同开度下具有两种阀座结构得调节阀流场中空化长度

变化情况。从图中得出:在不同开度情况下,不同阀座结构空化长度的变化发展趋势相似,均随着相对开度的增加而增大;相对于原始阀座,该仿生阀座结构的空化长度整体上都有所减小,抑制了空化的发展。

光学显微镜OLYMPUS BX51，日本株式会社；高速剪切机T25，IKA艾卡（广州）仪器设备有限公司；扫描电镜ZEISS EVO18，德国卡尔蔡司；傅立叶红外光谱仪Vector 33-MIR，德国 Brukev Optik；激光粒度仪 Malvern 2000，英国马尔文仪器有限公司；TDL-5-A离心机，上海安亭科学仪器厂。

变压器物理模型能够具体反应变压器的绕组故障。当变压器发生绕组故障时,变压器集总参数模型上的参数也会随之改变,从而能够很好地反映绕组变形以及内部匝间短路故障。考虑到仿真的复杂性以及准确性,选取合适的绕组单元数建立模型[6]。

5 结 论

本文针对煤液化调节阀空化失效和服役寿命短的问题,设计了一种新型仿生引流式调节阀阀座,并采用数值模拟和实验研究的方法开展调节阀空化流场特性研究,得到如下结论。

(1)基于Bio-TRIZ仿生学理论设计了仿生引流式阀座结构,并利用数值模拟方法分析仿生阀流道中压力场和空化场的分布。结果表明:仿生引流式阀座结构有助于抑制空化的产生与发展;当进出口压力固定不变,随着开度的增加,仿生阀的空化抑制效率提高,当开度为7%时,仿生阀的空化抑制效率提高了32.81%。

(2)搭建了可视化实验方案,基于图像灰度统计的方法,通过空化图像中灰度值的变化识别空化区域,对比分析不同阀座结构的空化流场特性。结果表明,具有仿生引流式阀座的调节阀内流道中空化长度有效降低,该变化趋势与数值模拟结果吻合良好,验证了该仿生引流式阀座优化结构的抑制空化的有效性,可为煤液化调节阀空化抑制方法提供有益的借鉴。

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