快开门式压力容器带压开启过程数值模拟研究及结构安全性改进分析

摘要

快开门式压力容器广泛地应用于化工、食品、医药等行业。带压开门引起的高速冲击是快开门式压力容器使用过程中最常见的事故原因之一。快开门式压力容器带压开门过程的分析与研究，对提高快开门式压力容器运行的安全性有重要意义。
　　快开门式压力容器带压开启引起的高速冲击过程是一个复杂的流固耦合过程，其基本原理涉及流体力学、固体力学、传热、传质等多个方面。本文针对立式和卧式快开门式压力容器，采用Eulerian/Lagrangian混合方法及高速可压缩气体、动网格等计算流体分析技术，建立了一组用来预测快开门式压力容器带压开门引起的高速冲击过程的数值仿真模型，并利用相关实验数据验证了该模型的准确性。然后采用该模型分别对立式与卧式快开门式压力容器在不同开门压力以及不同结构情况下的带压开启引起的高速冲击过程进行了数值模拟和分析。得到主要结论如下:
　　(1)快开门式压力容器带压开门引起的高速冲击过程，主要受到容器容积、开门时残余压力、卡箍长度、卡箍与简体凸缘之间的间隙以及卡箍与快开门盖边缘之间的间隙等因素的影响。
　　(2)快开门盖的物理加速过程完成的非常快，快开门式压力容器带压开启初期，门盖所受压力很大，门盖速度迅速增大;待完全开启后，门盖受力迅速减小，最终容器内外压力达到基本平衡。
　　(3)通过分析快开门式压力容器带压开门引起的高速冲击过程以及对影响门盖冲击力的因素研究，对快开门式压力容器结构设计及安全管理提出了建议。对快开门式压力容器，应严格控制其开门时的残余压力，在设计时可适当降低设备的卡箍长度，并在密封圈外部的容器法兰或凸缘上适当开一定数量的泄压孔，以保证在事故发生时能快速地泄放压力。
　　本文研究成果可以为快开门式压力容器安全余压的确定提供指导，并且为快开门式压力容器的设计制造及管理提供必要的理论和技术支持。

目录

声明

致谢

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 快开门式压力容器概述

1．2．1 快开门式压力容器的基本原理

1．2．2 快开门式压力容器的设计制造及管理要求

1．3 快开门式压力容器安全研究进展

1．3．1 快开门式压力容器相关标准规范要求变迁

1．3．2 快开门式压力容器设计、制造及管理研究进展

1．4 计算流体分析技术简介

1．5 本文研究简介

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

1．6 本章小结

第2章 理论分析及数学模型

2．1 快开门式压力容器带压开门引发高速冲击过程分析

2．1．1 快开门式压力容器结构及带压开门引发高速冲击过程简介

2．1．2 物理模型简化

2．2 数学模型

2．2．1 基本假设

2．2．2 控制方程

2．3 数值算法

2．4 数值计算实例

2．4．1 几何模型

2．4．2 边界条件

2．4．3 网格设置

2．4．4 计算参数

2．4．5 试验验证

2．5 本章小结

第3章 快开门盖飞出过程分析

3．1 立式快开门式压力容器带压开门门盖飞出过程分析

3．1．1 总体发展过程分析

3．1．2 快速膨胀过程分析

3．2 卧式快开门式压力容器带压开门门盖飞出过程分析

3．2．1 快开门盖受力变化过程

3．2．2 快开门盖速度变化过程

3．3 本章小结

第4章 快开门盖冲击能量影响因素分析

4．1 开启门盖时压力容器内余压的影响分析

4．1．1 立式快开门式压力容器开启余压的影响分析

4．1．2 卧式快开门式压力容器开启余压的影响分析

4．2 容器容积影响分析

4．2．1 立式快开门式压力容器容积的影响分析

4．2．2 卧式快开门式压力容器容积的影响分析

4．3 卡箍长度的影响分析

4．3．1 立式快开门式压力容器卡箍长度的影响分析

4．3．2 卧式快开门式压力容器卡箍长度的影响分析

4．4 泄压面积的影响分析

4．4．1 立式快开门式压力容器泄压面积的影响分析

4．4．2 卧式快开门式压力容器泄压面积的影响分析

4．5 门盖与卡箍间隙的影响分析

4．5．1 立式快开门式压力容器门盖与卡箍间隙的影响分析

4．5．2 卧式快开门式压力容器门盖与卡箍间隙的影响分析

4．6 结构安全性改进分析

4．7 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

在读期间发表(录用)论文情况