第 2 章 先导式减压阀动态模型建立
2.1 减压阀的动态模型假设
模型的建立是一种过程，其目标是为了分析或控制的过程开发数学描述，使用和理解的术语模型是指描述动态系统的一组微分方程[27]。由于先导式减压阀内部的气体状态变化过程、流体流动与机械组件运动之间的相互作用比较复杂，诸如流体流动作用力、摩擦力及弹簧力等都具有很大的非线性，且减压阀各个腔体内存在着复杂的涡流现象，这些如果要用微分方程精确地描述几乎是不可能。因此需要对先导式减压阀系统进行一下合理假设，使模型不仅能较为准确的描述过程而且能够闭合求解[28,29]。先导式减压阀结构如图2.1所示：
根据气体在先导式减压阀内的流动及状态变化规律，为简化分析对先导式减压阀模型作如下假设[30-33]：1. 流通介质为理想气体，具有恒定比热容。2. 系统内高流速气体不与外界换热，各腔内气体发生等熵变化，且同一腔体内气体分布均匀，物性相同。3. 忽略气体流动时的沿程阻力。
2.2 减压阀的动态模型分析
2.2.1 机械系统运动方程
减压阀机械系统由弹簧、薄膜阀杆连接件和阀芯组成。减压阀薄膜阀杆连接件在运动过程中主要受到自身重力、弹簧荷载力、薄膜上下压力以及气体阻力的作用。需要注意的是以往我们讨论的都是理想弹簧，即弹簧的自身质量可以忽略不计。但研究先导阀薄膜阀杆连接件的运动规律需要考虑弹簧质量，根据文献可知非理想弹簧的等效质量为其本身质量的1/3[34]。取减压阀阀芯全闭时薄膜阀杆连接件的位移为0，向下运动为正，得到减压阀机械系统运动方程如下：
第2章 先导式减压阀动.......................................9
2.1 减压阀的动态模型...............................................9
2.2 减压阀的动态模型...................................10
第3章 先导式减压阀动态特性....................................17
3.1 先导式减压阀动态特性...........................................17
3.2 先导式减压阀性能............................................28
第4章 先导式减压阀流场...........................................34
4.1 减压阀内部流场三维建模.....................................34
4.2 减压阀内部流场分析..................................35
4.3 多工况流场计算结果.................................................42
4.4 阀瓣形式改进....................................................44
第5章 噪声的预测...............................................................48
5.1 阀门噪声的产生及.................................................48
5.2 减压阀综合噪声.....................................................48
总结与展望
1. 主要内容总结
我国已将天然气的开发和利用作为21世纪初能源结构优化和石油工业产业升级的重点。天然气高压先导式减压阀是燃气输配系统的重要组件，其性能的优劣具有重要意义。为了提高天然气高压先导式减压阀的动态性能，研究其流量特性以及噪声问题，本文从以下几方面开展了工作：
(1)根据气体流动及状态变化规律，提出了建立高压先导轴流式天然气减压阀动态特性数学模型的假设。以牛顿第二定律、气体状态方程以及流量方程为基础，建立了减压阀的机械系统运动模型、各腔体之间的气体状态模型以及压力控制模型。这三类模型结合起来组成了减压阀动态系统的整体动态模型，即一组相互耦合的非线性常微分方程组。此模型中减压阀机械系统中薄膜阀杆连接件的位移、各腔内压力以及流量是各个时刻中的状态变量，模型反映了减压阀系统各状态之间存在的相互关系。
(2)依据高压先导轴流式天然气减压阀动态特性数学模型，建立了减压阀机械系统模块，编写了各个腔体压力控制方程的S函数模块，绘制了减压阀在Simulink系统中的仿真框图。设置仿真算法，得到了减压阀在不同结构参数下的动态特性响应曲线。建立了减压阀动态性能优化目标函数，根据遗传优化理论，采用Matlab遗传算法工具箱得到了改进后的减压阀优化结构参数。经过验证，在入口压力4MPa的工况下，高压先导轴流式天然气减压阀阀后输出压力最大超调量显著降低，由1.7MPa减小为0.5MPa，系统动态响应时间由0.65s缩短为0.42s，减压阀的动态性能得到了优化。
(3)运用Solidworks软件对高压先导轴流式天然气减压阀内部流道进行三维建模，依据内部流道的几何结构，进行网格划分并运用CFD软件分析其流场特性。采用天然气理想气体可压缩流体模型，设置压力进口和压力出口边界条件，应用改进的RNG k-Epsilon模型求解得到减压阀内部压力及速度分布云图，速度矢量图，流场迹线以及流量等相关参数。模拟分析了不同工况参数下减压阀内部流场特性的变化。在入口压力9.65MPa出口压力4.14MPa的工况条件下，比较了不同的阀瓣形状对流场特性的影响。结果表明，该工况下，改进后的阀瓣提高了高压先导轴流式天然气减压阀的性能。
(4)对高压差下气体流过高压先导轴流式天然气减压阀的噪声进行了计算分析，得到了不同工况下的综合噪声级。分析了各个参数对噪声级的影响，并对不同进出口压力比下的噪声级曲线进行拟合。当压力比小于0.57时，噪声超过标准限制值，需要加入降噪措施。提出了减压阀的性能改善的要求，为今后的研究工作提供了方向。
